功率器件结温和壳顶温度的差异

前言

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。测量功率器件结温通常有2种方法：热电偶和红外热成像测温仪。

使用热电偶测量温度，为了提高测量精度，需要进行精确的温度补偿和校准，热电偶本身要用特定粘胶固定在测量器件表面，或用机械方式固定并保证其和器件底部铜片具有良好的接触，固定方式和接触面积都会影响测量的精度。相对于被测量功率器件，热电偶接触面积大，本身相当于散热器作用，影响测量精度。此外，器件底部铜片和结温也有一定差异，也影响内部结温的测量精度。

红外热成像仪不需要和器件接触，测量过程对测量精度影响小。但是，红外热成像测温仪测量的是功率器件塑料外壳顶部温度，这个温度和功率器件内部结温有一定差异，本文就是研究这二者温度差值的范围，从而为实际应用提供温度降额的设计参考。

1、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部温度，通常把塑料外壳顶部的温度近似为器件结温。

为了更为精确得到塑料外壳顶部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

2、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。