功率器件結溫和殼頂溫度差異分析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2023-01-06
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。
圖1 功率器件的熱阻
圖2 紅外熱成像儀測量溫度
功率器件內部通常會有寄生PN結二極管，如功率MOSFET反并聯寄生體二極管，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，保持穩態時，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。
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。
圖4 測量系統的示意圖
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）同樣環境溫度條件下，熱阻RJA（結到環境）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，隨著環境溫度的增加而減小。
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