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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