前言

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)。測(cè)量功率器件結(jié)溫通常有2種方法：熱電偶和紅外熱成像測(cè)溫儀。

使用熱電偶測(cè)量溫度，為了提高測(cè)量精度，需要進(jìn)行精確的溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，熱電偶本身要用特定粘膠固定在測(cè)量器件表面，或用機(jī)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(huì)影響測(cè)量的精度。相對(duì)于被測(cè)量功率器件，熱電偶接觸面積大，本身相當(dāng)于散熱器作用，影響測(cè)量精度。此外，器件底部銅片和結(jié)溫也有一定差異，也影響內(nèi)部結(jié)溫的測(cè)量精度。

紅外熱成像儀不需要和器件接觸，測(cè)量過程對(duì)測(cè)量精度影響小。但是，紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)量的是功率器件塑料外殼頂部溫度，這個(gè)溫度和功率器件內(nèi)部結(jié)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(shí)際應(yīng)用提供溫度降額的設(shè)計(jì)參考。

1、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部溫度，通常把塑料外殼頂部的溫度近似為器件結(jié)溫。

為了更為精確得到塑料外殼頂部溫度和實(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

2、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

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

AON6414A

AON6500

AO4407A

圖4  不同封裝器件

3、器件塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫測(cè)量

器件塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫測(cè)量系統(tǒng)的示意圖，如圖5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5  測(cè)量系統(tǒng)的示意圖

(a) 0.3cm²焊盤銅皮

(b) 10cm²封裝焊盤銅皮

圖6  器件安裝的PCB

測(cè)量的步驟如下：

（1）將器件AON6414A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)的器件塑料外殼頂部溫度。

（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AON6414A的測(cè)量。

按照上面的方法，分別測(cè)出AON6500和AO4407A的結(jié)果，測(cè)量的結(jié)果分別如下表所示。

表1  AON6414A塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫，焊盤銅皮 10cm²

表2   AON6414A塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫，焊盤銅皮0.3cm²

表3  AON6500塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫，焊盤銅皮0.3cm²

表4  AO4407A塑料外殼頂部溫度和芯片結(jié)溫，焊盤銅皮0.3cm²

不同封裝的器件，測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖，如圖7所示。 

圖7  塑料外殼頂部溫度對(duì)溫度差異

增加環(huán)境溫度，使用AO4407A測(cè)量塑料外殼頂部溫度和結(jié)溫，測(cè)量結(jié)果如表5所示。

表5  環(huán)境溫度對(duì)溫差影響

AO4407A測(cè)量塑料外殼頂部溫度如圖8所示。

Ta=21.3℃

Ta=30.4℃

圖8   環(huán)境溫度對(duì)塑料外殼頂部溫度影響

在實(shí)際工作的條件下，不太可能實(shí)時(shí)測(cè)量功率器件內(nèi)部寄生二極管的壓降來確定內(nèi)部芯片的結(jié)溫?？梢詫⑹褂蒙鲜鲮o態(tài)方式測(cè)量的結(jié)溫，結(jié)合紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)量的塑料外殼頂部溫度，校核它們之間的差值。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量到塑料外殼頂部溫度，基于這個(gè)差值，就可以得到芯片內(nèi)部結(jié)溫。

 圖9  紅外熱成像測(cè)溫儀測(cè)量溫度和仿真溫度

5、結(jié)論

（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。