功率器件結(jié)溫和殼頂溫度差異分析-KIA MOS管

開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及一些電力電子變換器通常會(huì)使用功率器件，在設(shè)計(jì)過程中要測(cè)量功率MOSFET或IGBT結(jié)溫，保證其在合理安全的工作范圍，因?yàn)楣β势骷Y(jié)溫與其安全性、可靠性直接相關(guān)。

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(guān)，如圖1所示。RJC是結(jié)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(jié)到和硅片襯底連接的管腳的熱阻RJL。

功率器件內(nèi)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(jié)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(shí)上，由于RJT+RTA遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于RJC+ RCA，只有很少部分熱量從塑料殼導(dǎo)出，塑料殼頂部溫度和結(jié)溫差值比較小，實(shí)際應(yīng)用中，紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)量功率器件塑料外殼頂溫度，通常把塑料外殼頂?shù)臏囟冉茷槠骷Y(jié)溫。

為了更為精確得到塑料外殼頂溫度和實(shí)際器件結(jié)溫的差異，使用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方式，進(jìn)行定量分析，同時(shí)，研究塑料外殼封裝類型和芯片尺寸大小，對(duì)于溫度差異的影響。

圖1 功率器件的熱阻

圖2 紅外熱成像儀測(cè)量溫度

芯片結(jié)溫校核曲線測(cè)量

功率器件內(nèi)部通常會(huì)有寄生PN結(jié)二極管，如功率MOSFET反并聯(lián)寄生體二極管，就相當(dāng)于一個(gè)溫度傳感器，一定溫度對(duì)應(yīng)著一定二極管壓降。每一個(gè)硅器件都對(duì)應(yīng)著特定的校準(zhǔn)曲線。

一旦確定，在靜態(tài)條件下，可以測(cè)量功率器件內(nèi)部寄生二極管的壓降，通過校核的結(jié)溫曲線，得到相應(yīng)的內(nèi)部芯片結(jié)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(dòng)熱液體油中，器件熱平衡后，整個(gè)器件溫度會(huì)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(cè)量寄生體二極管正向壓降VF；

同時(shí)，通過熱電偶測(cè)量器件底部裸露銅皮溫度，也就是結(jié)溫，就可以得到器件寄生體二極管正向壓降VF和結(jié)溫變化的校核曲線。

注意到，器件熱平衡后，保持穩(wěn)態(tài)時(shí)，器件的整體溫度都相同。在油溫度低于100度時(shí)，可以同時(shí)使用溫度計(jì)進(jìn)一步校核油的溫度和熱電偶測(cè)量溫度，讓它們保持一致。校核時(shí)，溫度計(jì)盡可能靠近器件。測(cè)量器件寄生二極管壓降時(shí)，使用KELVIN連接法。

圖3 VF和結(jié)溫校核曲線，IF=10mA

器件塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫測(cè)量

器件塑料外殼頂溫度和芯片結(jié)溫測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，如圖4所示，每個(gè)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。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)的示意圖

圖5 器件安裝的PCB

測(cè)量的步驟如下：

（1）將器件安裝在PCB板上，設(shè)定功率回路的電流值，如1A，連通功率回路和測(cè)量回路，器件寄生體二極管中通過約1A電流，寄生體二級(jí)管的功耗加熱器件，使用紅外熱成像測(cè)溫儀，測(cè)量器件塑料外殼頂部溫度，當(dāng)其溫度穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)功耗和對(duì)應(yīng)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(cè)量回路的連通，10mA電流繼續(xù)流過器件寄生體二極管，測(cè)量寄生體二極管的電壓，在器件的結(jié)溫校核曲線中，由二極管的電壓得到相應(yīng)的芯片結(jié)溫。通常，此過程的測(cè)量時(shí)間非常短，同時(shí)由于器件熱容的影響，內(nèi)部芯片結(jié)溫基本不會(huì)降低。

（3）改變功率回路的電流值，重復(fù)步驟1和步驟2，完成器件的測(cè)量。

小結(jié)：

（1）芯片塑料殼頂部和結(jié)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(huì)影響到這個(gè)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(jié)溫的溫差，經(jīng)驗(yàn)值通常取5-10℃左右。

（3）同樣環(huán)境溫度條件下，熱阻RJA（結(jié)到環(huán)境）隨著結(jié)溫的增加而增大，熱阻RJT（結(jié)到頂部）隨著結(jié)溫的增加而減小。

（4）芯片塑料殼頂部和結(jié)溫的差異，隨著環(huán)境溫度的增加而減小。

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