功率器件在高溫環境下的選型與應用設計

溫建國， 陳曉月， 王明鑫

（華北光電技術研究所， 北京 100015）

0 引言

紅外探測組件， 是一種對溫度高靈敏被動式半導體成像器件，為達到最佳的成像質量，通常工作在穩定的低溫環境下。 一般通過斯特林制冷機組件中的驅動控制器進行精準控溫調節， 為紅外探測器組件提供所需穩定的低溫環境。 隨著紅外探測器組件在惡劣熱真空環境下的廣泛使用， 對紅外探測器組件中的斯特林制冷機驅動控制器提出了更高的指標要求。 因此需要對斯特林制冷機驅動控制器的元器件在高溫環境下應用進行設計驗證，尤其是對驅動器電路中發熱大的功率元器件易受到工作高溫環境與自身散熱的影響， 在惡劣高溫環境下的承受能力進行了相關試驗和應用研究。 本文主要介紹了紅外探測器組件中斯特林制冷機驅動控制器中大功率器件在高溫環境下的選型，降額設計，元器件布局布線，散熱設計，最終根據試驗驗證的結果，提出了設計方案和最終散熱整改措施， 使得斯特林制冷機能夠確保紅外探測器組件在極端惡劣的熱真空環境下可以正常工作， 并輸出高質量紅外圖像。

1 紅外探測器制冷機組件工作原理與驅動控制器功率元器件的選型設計

紅外探測器組件斯特林制冷機[1]工作原理流程圖如圖1 所示，通過制冷機驅動控制器的閉環控制，制冷機冷量通過金屬杜瓦冷指耦合結構的輸出與傳遞最終與紅外探測芯片的熱負載保持一個平衡狀態。 使得紅外器件工作在相對穩定的低溫環境中。

圖1 紅外探測器組件斯特林制冷工作原理流程圖

其中制冷機驅動控制器主要負責通過對溫度電信號的處理控制制冷機內直流無刷電機的轉速， 最終達到控制斯特林制冷機冷量輸出與紅外探測器件熱負載的動態平衡。 其內部主要包含了電源處理電路（濾波、變換等）、信號處理電路（放大，PWM 調制等）、防護電路和最終推動電機旋轉的功率輸出電路等功能模塊。由于驅動控制器中功率輸出電路是電路中主要耗散和發熱源， 因此其中的功率器件（MOSFET）的選型設計和參數選取至關重要。

斯特林制冷機驅動控制器采用集成裝配設計形式，驅動控制器電路的安裝空間有限， 功率器件的選型無法采用直插大封裝或裝備散熱器等散熱良好的功率器件，器件尺寸必須依照小型化板型進行選型設計。其次，選用功率MOSFET 器件前， 評估本產品高溫環境下帶載情況的峰值輸入功率＜19W，控溫階段輸入功率＜12W，整體功耗情況為小功率輸出產品，并通過式（1）計算產品連續峰值輸出電流＜0.8A。 MOSFET 選型最終綜合尺寸小型化設計與連續峰值輸出電流情況，選用了進口的SO8 表貼小封裝形式，N-P 對管MOSFET 產品，主要設計選型考慮的器件參數如表1 所示。

表1 參數表

其中實測產品的連續電流峰值為0.8A，應用式（2）可以得出MOSFET 最高的實際導通耗散功耗約為0.08W，其它一些雜散功耗（如開關損耗，驅動損耗，截至損耗等）約為0.02W，整體產品的實際工作中的峰值電流ID 與耗散功耗PD 均遠遠低于所選MOSFET 器件額定參數值，完全滿足產品應用的高溫環境的極限要求。

參數值中的開啟與關斷時間主要是產品處于PWM調制控溫階段，對波形的影響，實際應用中，PWM 開關頻率為25KHz 左右，所選器件的ns 級開啟關斷時間完全能夠滿足產品波形調制的要求。

參數值中的結殼熱阻R（th）j-a最大為55℃/W，通過結殼熱阻值與上述總耗散功耗值 （0.1W） 可以計算得到MOSFET 器件工作時整體的耗散功耗對應溫升約為6℃左右。對比表中工作溫度范圍，可以看到產品選型完全滿足驅動控制器工作中的溫升需要。

2 功率元器件的降額設計

元器件選用后， 根據探測器組件產品使用的項目要求，還需要對器件主要參數進行降額設計評估。降額設計主要是設計選用的元器件工作時承受的工作應力依照規范要求的降額因子應適當低于元器件的額定值， 達到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的。紅外探測器組件在本項目使用的元器件一般按照GJB/Z 35-1993《元器件降額準則》[2]規定進行降額設計，大致分為三個等級，降額因子為0.5～0.9 之間。 依照項目要求標準，本產品選用的元器件參數降額等級均要求為Ⅰ級降額， 確定功率元器件（MOSFET）的合理的降額系數為在0.5～0.6。 其降額設計主要是從電壓、電流、功率和工作溫升等四個方面進行考慮。 降額設計時， 額定選用器件數據手冊中最小參數值，實際使用值選用產品的最大的峰值。本產品選用的功率器件的降額設計如表2 所示。 按產品降額實際使用值與額定值之間的比值，使用式（3）：

表2 功率器件降額設計表

下述電壓、電流、功率等三個主要降額參數均滿足降額準則中小于I 級降額系數的要求； 溫度降額可以應用準則中的使用式（4）：

產品結溫按150℃，TC應為85℃；根據總功耗與產品結殼熱阻55℃/W 計算高溫環境（Th）60℃時總溫升，按式（5）計算出整體芯片溫升約為66℃， 滿足T＜TC符合項目的I級降額。

3 布局布線與散熱設計

本文所述驅動控制器選用MOSFET 功率器件為國外生產的N、P 組合型功率MOS 管，主要用于組成功率輸出的H 橋斬波電路[3]形式，是驅動器對外連接電機的端口。通過驅動控制器內部電路產生的PWM[4]調制波對功率輸出電路的H 橋進行控制，驅動三相直流無刷電機運轉，H橋上下端MOS 開關時間波形如圖2 所示，是輸出功率的主要電路，其中的組成H 橋的MOSFET 器件也是驅動控制器的主要發熱源。在選用功率器件時主要考慮了電壓、電流、功耗、殼溫等降額設計外，同時也考慮到選用的產品的導通電阻RDS 僅為mΩ 級，在高電壓和大電流的情況下，低的導通電阻可以提高產品輸出效率，降低器件自身的導通耗散功耗，進一步改善芯片自身的發熱狀況。在板圖的設計時， 針對上述使用情況和功率器件特點進行有針對性的布局布線。首先布局時，由于輸出功率器件工作時具有干擾大， 發熱大等特點將其作為驅動控制電路的主要干擾源， 整體放在電路板邊緣部分，并做好柵極端接阻抗的匹配，增加續流二極管，盡量切斷傳導（CD）和輻射（RD） 兩個耦合方式對抗擾度低，敏感的模擬處理和信號反饋電路模塊的影響，提前做好整體產品的電磁兼容[5]（EMC）設計。 同時將功率器件放置在電路板邊緣位置利于后期散熱設計， 減小了工作在高溫環境下器件自身發熱對整體電路的影響。

圖2 H 橋上下端MOS 開關時間波形圖

布線時增大整體電源輸入線寬， 輸出采用整體敷銅增加輸出線體的尺寸，依照工程估算式（6）[6]：

式中：K—修正系數； 內層取0.024， 外層取0.048；T—溫升；A—敷銅面積（mil2）；I—容許的電流（A）。

結合實際產品使用的峰值電流情況并考慮到可靠性與板內布線尺寸能力，本產品PCB 制板采用1oz 敷銅，輸入與輸出均采用80mil 線寬[7]。 降低電路板設計中輸入輸出引線阻抗的影響，降低功耗，降低發熱，從而保證產品高溫環境下的可靠性。

散熱設計考慮采用導熱橡膠[8]對器件與外金屬蓋板間進行填充；導熱橡膠材料具有阻燃防火的性能，同時又非常柔軟， 能夠完全填充熱源與散熱材料之間的間隙，增大了散熱面積，完美的進行全接觸式散熱，同時還具有很好的減震、絕緣、密封的作用[9]。但第一次設計時，由于選用材料的導熱系數0.8W/（m·K）， 填充間隙厚度為4mm，裝配效果如圖3 所示。實測中由于選用的導熱材料導熱系數低， 填充間隙厚度過大， 芯片熱量無法有效導出，散熱效率低。 不但無法起到好的散熱效果， 反而為器件散熱增加了熱阻。

圖3 4mm 填充間隙散熱設計

其后對散熱設計進行了全面整改。 為增加散熱效率，將驅動蓋板材料由硬鋁改為紫銅，提高了散熱材料本身的導熱系數使得驅動蓋板導熱系數[10]增大3 倍（λ 鋁合金=123W/（m·K）→λ 紫銅=386W/（m·K）， 選用另外一款厚度為0.5mm 薄型填充導熱橡膠材料， 材料的導熱系數也提升到3W/（m·K）， 同時在后蓋散熱紫銅板上增加凸臺設計減少散熱材料與熱源之間的間隙， 整體間隙由原來的4mm 降低到了0.35mm 左右， 填充材料整體變形控制在20%～30%之間，符合填充材料使用的要求。整體散熱設計后的裝配結果如圖4 所示。 通過更換導熱驅動蓋板使用材料，增加導熱能力，使用導熱系數更高的導熱橡膠材料，增強導熱性能，減小導熱填充間隙，縮短導熱路徑長度，使得整體熱量傳遞效果得到明顯提升。 最終整體產品熱仿真結果如圖5 所示，滿足產品最終的設計要求。

圖4 整改后散熱設計

圖5 整體產品熱仿真結果圖

4 結束語

本文重點闡述了斯特林制冷機驅動控制器中功率元器件在熱環境下的選型設計、電路布局設計、散熱驗證與工程應用，關鍵是選型之初要明確主要的電學參數，并依據GJB/Z 35-1993《元器件降額準則》進行產品必要的降額設計，通過電路的布局布線的優化功率器件產生的熱耗，最終通過產品熱設計使得功率器件自身工作時產生的熱量能夠迅速有效的導出到散熱蓋板，并通過散熱蓋板進行散熱，從而改善了功率器件在高溫環境下的工作環境，提高了驅動控制器產品在高溫環境下的可靠性并延長使用壽命。文中所述方法與措施為今后科研生產中高溫環境下的產品開發設計積累了經驗。