功率器件實際結溫和殼頂溫度的差異研究

劉松 王傳喜

摘?要：本文主要研究功率器件的內部實際結溫和外殼頂溫度的差異，給出了測量內部實際結溫的方法。研究表明，不同的器件、不同的封裝類型，不同的內部封裝方法，都會直接影響到溫度差異，環境溫度越高，溫度差值越小;封裝材料越厚，溫度差值越大。

關鍵詞：結溫 ;殼頂溫度;紅外測溫

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（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金氧半場效晶體管）或 IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor，絕緣柵雙極型晶體管）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。測量功率器件結溫有兩種方法：熱電偶和紅外熱成像測溫儀。使用熱電偶測量溫度，為了提高測量精度，需要進行精確的溫度補償和校準。熱電偶本身要用特定粘膠固定在測量器件表面，或用機械方式固定并保證其和器件底部銅片具有良好的接觸。固定方式和接觸面積都會影響測量的精度。相對于被測量功率器件，熱電偶接觸面積大，本身相當于散熱器作用，影響測量精度。此外，器件底部銅片和結溫也有一定差異，也影響內部結溫的測量精度。

紅外熱成像測溫儀不需要和器件接觸，測量過程對測量精度影響小。但是，紅外熱成像測溫儀測量的是功率器件塑料外殼頂部溫度，這個溫度和功率器件內部結溫有一定差異，本文就是研究這二者溫度差值的范圍，從而為實際應用提供溫度降額的設計參考。

1 功率器件的熱阻

功率器件散熱特性與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，只有很少一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部溫度，通常把塑料外殼頂部的溫度近似為器件結溫。

為了更精確得到塑料外殼頂部溫度和實際器件結溫的差異，使用實驗測量方式，進行定量的分析，同時，也研究塑料外殼和芯片尺寸大小對于溫度差異的影響。

2 芯片結溫校核曲線測量

功率器件內部通常會有 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，一定的溫度對應著一定的二極管壓降。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 10 mA，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 ℃ 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。

選擇三種類型的功率 MOSFET：AON6414A，AON6500，AO4407A，封裝和內部芯片尺寸如表 1 所示，然后分別測出它們的結溫校核曲線。

3 器件塑料外殼頂部溫度和芯片結溫測量

器件塑料外殼頂部溫度和芯片結溫測量系統的示意圖，如圖 5 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 2 OZ（約 0.07 mm）。

測量的步驟如下。

（1）將器件 AON6414A 安裝在 PCB 板上，設定功率回路的電流值，如 1 A，連通功率回路和測量回路，器件寄生體二極管中通過 1.01 A 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部溫度。

（2）斷開步驟 1 中功率回路，僅保持 10 mA 測量回路的連通，10 mA 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 AON6414A 的測量。

按照上面的方法，分別測出 AON6500 和 AO4407A的結果。測量的結果分別見表 2、表 3、表 4 和表 5。

在實際工作的條件下，不太可能實時測量功率器件內部寄生二極管的壓降來確定內部芯片的結溫。可以將使用上述靜態方式測量的結溫，結合紅外熱成像測溫儀測量的塑料外殼頂部溫度，校核它們之間的差值。在實際應用中，測量到塑料外殼頂部溫度，基于這個差值，就可以得到芯片內部結溫。

4 結語

芯片塑料殼頂部和結溫的差異受封裝的影響大，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;貼片類型的封裝，芯片塑料殼頂部和結溫的溫差，經驗值通常取 5～10 ℃ 左右;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;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。

參考文獻：

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