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  • 功率器件結溫與殼頂溫度差異解析
    • 發(fā)布時間:2023-04-19 15:35:45
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    功率器件結溫與殼頂溫度差異解析
    開關電源、電機驅動以及一些電力電子變換器通常會使用功率器件,在設計過程中要測量功率MOSFET或IGBT結溫,保證其在合理安全的工作范圍,因為功率器件結溫與其安全性、可靠性直接相關。
    功率器件的熱阻
    功率器件散熱特性和其熱阻特性直接相關,如圖1所示。RJC是結到殼(底部銅片)的熱阻,如果功率器件底部沒有銅片,那么就是結到和硅片襯底連接的管腳的熱阻RJL。
    功率器件內部熱量主要通過底部銅片和塑料殼這二條路徑散熱,RJT為結到塑料殼的熱阻,RTA為塑料殼到空氣的熱阻,RCA為底部銅片到空氣的熱阻。
    事實上,由于RJT+RTA遠遠大于RJC+ RCA,只有很少部分熱量從塑料殼導出,塑料殼頂部溫度和結溫差值比較小,實際應用中,紅外熱成像測溫儀測量功率器件塑料外殼頂溫度,通常把塑料外殼頂的溫度近似為器件結溫。
    為了更為精確得到塑料外殼頂溫度和實際器件結溫的差異,使用實驗測量方式,進行定量分析,同時,研究塑料外殼封裝類型和芯片尺寸大小,對于溫度差異的影響。
    功率器件 結溫 殼頂溫度
    圖1 功率器件的熱阻
    功率器件 結溫 殼頂溫度
    圖2 紅外熱成像儀測量溫度
    芯片結溫校核曲線測量
    功率器件內部通常會有寄生PN結二極管,如功率MOSFET反并聯(lián)寄生體二極管,就相當于一個溫度傳感器,一定溫度對應著一定二極管壓降。每一個硅器件都對應著特定的校準曲線。
    一旦確定,在靜態(tài)條件下,可以測量功率器件內部寄生二極管的壓降,通過校核的結溫曲線,得到相應的內部芯片結溫。
    將熱電偶安裝在器件底部裸露銅皮上,然后將器件放在攪動熱液體油中,器件熱平衡后,整個器件溫度會保持一致;然后,器件寄生體二極管流過固定的小電流,電流大小為10mA,測量寄生體二極管正向壓降VF;
    同時,通過熱電偶測量器件底部裸露銅皮溫度,也就是結溫,就可以得到器件寄生體二極管正向壓降VF和結溫變化的校核曲線。
    注意到,器件熱平衡后,保持穩(wěn)態(tài)時,器件的整體溫度都相同。在油溫度低于100度時,可以同時使用溫度計進一步校核油的溫度和熱電偶測量溫度,讓它們保持一致。校核時,溫度計盡可能靠近器件。測量器件寄生二極管壓降時,使用KELVIN連接法。
    功率器件 結溫 殼頂溫度
    圖3 VF和結溫校核曲線,IF=10mA
    器件塑料外殼頂部溫度和芯片結溫測量
    器件塑料外殼頂溫度和芯片結溫測量系統(tǒng)的示意圖,如圖4所示,每個器件分別安裝在不同焊盤銅皮尺寸的PCB板上,如圖6所示,PCB為2層板,覆銅厚度2OZ。
    功率器件 結溫 殼頂溫度
    圖4 測量系統(tǒng)的示意圖
    功率器件 結溫 殼頂溫度
    圖5 器件安裝的PCB
    測量的步驟如下:
    (1)將器件安裝在PCB板上,設定功率回路的電流值,如1A,連通功率回路和測量回路,器件寄生體二極管中通過約1A電流,寄生體二級管的功耗加熱器件,使用紅外熱成像測溫儀,測量器件塑料外殼頂部溫度,當其溫度穩(wěn)定后,記錄相應功耗和對應的器件塑料外殼頂溫度。
    (2)斷開步驟1中功率回路,僅保持10mA測量回路的連通,10mA電流繼續(xù)流過器件寄生體二極管,測量寄生體二極管的電壓,在器件的結溫校核曲線中,由二極管的電壓得到相應的芯片結溫。通常,此過程的測量時間非常短,同時由于器件熱容的影響,內部芯片結溫基本不會降低。
    (3)改變功率回路的電流值,重復步驟1和步驟2,完成器件的測量。
    小結:
    (1)芯片塑料殼頂部和結溫的差異,受封裝影響大,不同封閉類型、不同外殼材料等因素都會影響到這個差值。頂部塑料殼越厚,溫差越大。
    (2)貼片類型封裝,芯片塑料殼頂部和結溫的溫差,經驗值通常取5-10℃左右。
    (3)同樣環(huán)境溫度條件下,熱阻RJA(結到環(huán)境)隨著結溫的增加而增大,熱阻RJT(結到頂部)隨著結溫的增加而減小。
    (4)芯片塑料殼頂部和結溫的差異,隨著環(huán)境溫度的增加而減小。
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