功率器件结温和壳顶温度差异分析-KIA MOS管

开关电源、电机驱动以及一些电力电子变换器通常会使用功率器件，在设计过程中要测量功率MOSFET或IGBT结温，保证其在合理安全的工作范围，因为功率器件结温与其安全性、可靠性直接相关。

功率器件的热阻

功率器件散热特性和其热阻特性直接相关，如图1所示。RJC是结到壳（底部铜片）的热阻，如果功率器件底部没有铜片，那么就是结到和硅片衬底连接的管脚的热阻RJL。

功率器件内部热量主要通过底部铜片和塑料壳这二条路径散热，RJT为结到塑料壳的热阻，RTA为塑料壳到空气的热阻，RCA为底部铜片到空气的热阻。

事实上，由于RJT+RTA远远大于RJC+ RCA，只有很少部分热量从塑料壳导出，塑料壳顶部温度和结温差值比较小，实际应用中，红外热成像测温仪测量功率器件塑料外壳顶温度，通常把塑料外壳顶的温度近似为器件结温。

为了更为精确得到塑料外壳顶温度和实际器件结温的差异，使用实验测量方式，进行定量分析，同时，研究塑料外壳封装类型和芯片尺寸大小，对于温度差异的影响。

图1 功率器件的热阻

图2 红外热成像仪测量温度

芯片结温校核曲线测量

功率器件内部通常会有寄生PN结二极管，如功率MOSFET反并联寄生体二极管，就相当于一个温度传感器，一定温度对应着一定二极管压降。每一个硅器件都对应着特定的校准曲线。

一旦确定，在静态条件下，可以测量功率器件内部寄生二极管的压降，通过校核的结温曲线，得到相应的内部芯片结温。

将热电偶安装在器件底部裸露铜皮上，然后将器件放在搅动热液体油中，器件热平衡后，整个器件温度会保持一致；然后，器件寄生体二极管流过固定的小电流，电流大小为10mA，测量寄生体二极管正向压降VF；

同时，通过热电偶测量器件底部裸露铜皮温度，也就是结温，就可以得到器件寄生体二极管正向压降VF和结温变化的校核曲线。

注意到，器件热平衡后，保持稳态时，器件的整体温度都相同。在油温度低于100度时，可以同时使用温度计进一步校核油的温度和热电偶测量温度，让它们保持一致。校核时，温度计尽可能靠近器件。测量器件寄生二极管压降时，使用KELVIN连接法。

图3 VF和结温校核曲线，IF=10mA

器件塑料外壳顶部温度和芯片结温测量

器件塑料外壳顶温度和芯片结温测量系统的示意图，如图4所示，每个器件分别安装在不同焊盘铜皮尺寸的PCB板上，如图6所示，PCB为2层板，覆铜厚度2OZ。

图4 测量系统的示意图

图5 器件安装的PCB

测量的步骤如下：

（1）将器件安装在PCB板上，设定功率回路的电流值，如1A，连通功率回路和测量回路，器件寄生体二极管中通过约1A电流，寄生体二级管的功耗加热器件，使用红外热成像测温仪，测量器件塑料外壳顶部温度，当其温度稳定后，记录相应功耗和对应的器件塑料外壳顶温度。

（2）断开步骤1中功率回路，仅保持10mA测量回路的连通，10mA电流继续流过器件寄生体二极管，测量寄生体二极管的电压，在器件的结温校核曲线中，由二极管的电压得到相应的芯片结温。通常，此过程的测量时间非常短，同时由于器件热容的影响，内部芯片结温基本不会降低。

（3）改变功率回路的电流值，重复步骤1和步骤2，完成器件的测量。

小结：

（1）芯片塑料壳顶部和结温的差异，受封装影响大，不同封闭类型、不同外壳材料等因素都会影响到这个差值。顶部塑料壳越厚，温差越大。

（2）贴片类型封装，芯片塑料壳顶部和结温的温差，经验值通常取5-10℃左右。

（3）同样环境温度条件下，热阻RJA（结到环境）随着结温的增加而增大，热阻RJT（结到顶部）随着结温的增加而减小。

（4）芯片塑料壳顶部和结温的差异，随着环境温度的增加而减小。

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