功率晶閘管的熱敏特性研究

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0 引 言

隨著脈沖功率技術的發展，晶閘管作為閉合開關在該領域也得到廣泛應用。作為核心器件之一，晶閘管的狀態也直接關系到系統的正常運行[1-3]。微觀研究和實際應用表明[4]，晶閘管的電氣性能、使用壽命等參數均和其結溫有著很大的關系。因此研究晶閘管各種工況下的結溫不僅有助于優化改善晶閘管的性能，而且對提高其可靠性也具有重要的意義。

由于晶閘管不是理想開關，當其被觸發導通后[5-6]，正向電流會在PN結中產生焦耳熱，并且熱量不會立即傳遞給封裝中的鉬片和銅基座，所以晶閘管的外殼溫度并不等于其結溫。這就導致晶閘管的結溫無法從外部測量。目前，分析和研究其結溫的主要手段有熱阻抗法、有限元分析法、掃描電鏡、紅外光譜法等[2，4]。由于功率晶閘管在測量中存在封裝復雜、額定電流高等實際情況，上述方法都存在一定的局限性。下面討論一種通過功率晶閘管的熱敏參數來反映結溫的方法。

1 晶閘管的熱敏特性

晶閘管是一種具有3個PN結的功率半導體器件[7-8]，而PN結的很多特性參數都對溫度敏感，隨著溫度的變化而變化。因此可以通過測量PN結的某些特征參數和溫度之間的關系來反映PN結的溫度，進而獲得運行狀態下晶閘管芯片的結溫。

由文獻可知，單個PN結的通態壓降具有負溫度特性，并且其通態壓降隨著PN結溫度的升高在一定溫度范圍內呈現線性的下降。單個PN結的正向電流If和通態電壓Uf具有式(1)所述的關系：

(1)

式中：k為玻爾茲曼常數，1.380 650 5×10-23J/K；q為電子的電荷量，1.602 192×10-19C。T為熱力學溫度；Uf為通態壓降；I0為PN結的反向飽和電流。I0的表達式為

(2)

式中：A為一個與溫度無關的常數；Ug0為半導體材料的禁帶寬度。

將式(2)代入式(1)，兩邊同時取對數整理可得式(3)。

(3)

式(3)描述了PN結的通態壓降、正向電流、結溫三者之間的關系。可以看出，當If為恒流時，通態壓降只與PN結的溫度相關。易知當T=0和T=1時，Unl=0。對Unl表達式求導可得式(4)。

(4)

易知當T=1/e時，Unl存在一個極值點且為極大值。

Unl與T的關系如圖1所示，在圖中的高溫區和低溫區，Unl隨T的變化的非線性很強；而在中溫區兩者則趨向于線性關系。

圖1 硅PN結的典型U-T特性曲線

實際應用中，硅半導體元件的工作極限溫度為473 K，在圖1位于中溫區，因此可以利用式(3)研究其特性。

2 熱敏特性的測試

設計并搭建了如圖2所示的實驗平臺對功率晶閘管的熱敏特性進行測試。待測功率晶閘管為某型5 in冰球型封裝功率晶閘管，其額定電流為2200 A。測試電流If在取值時既要保證功率晶閘管能夠完全開通，又要盡量減少其自身導致的附加發熱。根據文獻[6]可知，當If=20 A時，可認為功率晶閘管芯片已經充分導通且遠小于額定電流，因此，平臺中采用了一臺20 A的恒流源提供式中的If。

實驗時，用烘箱將待測功率晶閘管逐級加熱至不同的目標溫度，經過足夠長時間達到熱平衡后觸發功率晶閘管使其導通，測量其在20 A恒定電流下(熱敏電流)的通態壓降Uf(由圖2中a、b端點引出)。將獲得的通態壓降與對應溫度關系繪制成曲線，即熱敏特性校準曲線(簡稱熱敏曲線)。

圖2 實驗平臺示意

3 數據分析

圖3為本次實驗獲得的某型功率晶閘管的熱敏曲線。

圖3 待測功率晶閘管在20 A時的熱敏曲線

通過圖3可知，該區間內熱敏曲線的線性度較好，擬合出式(5)。

Tj=ΔUf·M+Tj0==-200ΔUf+531.04

(5)

由式(5)可以通過功率晶閘管的通態壓降得出該狀態下的穩態結溫。

4 結 語

對待測功率晶閘管的熱敏特性進行研究，通過設計的試驗平臺對其熱敏性能進行了測試，并繪制出試品在20 A恒定電流時的熱敏特性曲線，擬合出功率晶閘管溫度與通態壓降的表達式。獲得的實驗趨勢與理論一致，為后期測量功率晶閘管通態壓降獲得其暫態結溫打下基礎。

在后續研究中將通過搭建更大容量的實驗平臺，來測定實際工程中額定工況下的溫敏曲線。以此獲得運行中功率晶閘管的結溫，進而達到監測功率晶閘管運行狀態的目的。