【導讀】功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiCgaogonglvmidudejichu
，zhiyouzhangwogonglvbandaotidereshejijichuzhishi，cainengwanchengjingqueresheji，tigaogonglvqijiandeliyonglv，jiangdixitongchengben，bingbaozhengxitongdekekaoxing。 

前言

功率半導體熱設計是實現IGBT、碳化矽SiCgaogonglvmidudejichu
，zhiyouzhangwogonglvbandaotidereshejijichuzhishi
，cainengwanchengjingqueresheji
，tigaogonglvqijiandeliyonglv
，jiangdixitongchengben，bingbaozhengxitongdekekaoxing。 

功率器件熱設計基礎係列文章會比較係統地講解熱設計基礎知識
，相關標準和工程測量方法。

芯片表麵溫度

xinpianwendushiyigehenfuzadewenti，congxinpianbiaomianceliangwendu，keyifaxiandangexinpianwenduyeshibujunyunde。suoyigongchengshangshejiyibankeyiqujiaquanpingjunzhihuogeichushejiyuliang。


這是一個MOSFET單管中的芯片
，直觀可以看出芯片表麵溫度是不一致的，光標1的位置與光標2位置溫度差高達5度。

芯片內部溫度

芯片內部溫度更複雜，比較好的辦法是通過仿真來研究，從芯片橫截麵看，仿真結果顯示在短路瞬態，100微米量級的芯片截麵有很大的溫度梯度。

1200V IGBT在400V時短路，起始溫度是26度

，4.5us時

，芯片正麵發射極溫度77度

，芯片集電極側167度，由於短路芯片裏的電流可能呈絲狀，使熱量集中於一點，電流絲溫度最高可達367度。

由於結溫如此複雜
，又是熱設計的終極目標，所以我們需要了解工作結溫和結溫的定義和各種測量方法。

工作結溫Tvj op

在IGBT的數據手冊中
，會給出允許開關的結溫，簡稱為工作結溫Tvj op。


要講清楚工作結溫Tvj op，要分三步，首先什麼是結溫、虛擬結溫Tvj，什麼是TvjMAX

，然後才能定義什麼是工作結溫Tvj op。

虛擬結溫Tvj：

結溫Tvj是半導體芯片結區的溫度。該結溫用於確定用於進一步計算的結到外殼的熱阻RthJC。由於它與模塊中某個芯片的確切結溫並不精確匹配
，因此更正確的說法是“虛擬結溫”。

最高虛擬結溫Tvjmax


數據手冊中的最高工作結溫Tvjmax是用於確定連續導通IGBT（即靜態工作）的最大允許功率耗散和定義連續集電極直流電流ICDC。

對於開關工況應用，包括一次性關斷的短暫過程，必須確保器件在高動態應力
、短時瞬態溫度以及工作時芯片和模塊溫度不均勻的情況下安全運行。因此

，在動態工作下計算出的最大虛擬結溫應限製在低於Tvjmax的值。

工作結溫Tvj op：

工作溫度Tvj op規定了器件的允許工作溫度範圍（最小值和最大值）。

對於開關應用

，相關的設計限製是工作溫度Tvj op。在計算正常負載和過載（也包括短時負載）時的電流能力時
，應使用平均導通損耗、開通(Eon)和關斷(Eoff)的損耗來計算，以保證芯片在允許的工作溫度範圍內。

設計中可以不用峰值功率損耗
，在“開通”或“關斷”過程中產生的瞬態溫升。它們已在定義工作溫度Tvj op中考慮了)2）。

功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)目(mu)標(biao)是(shi)最(zui)高(gao)工(gong)作(zuo)結(jie)溫(wen)不(bu)超(chao)過(guo)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)上(shang)的(de)給(gei)定(ding)值(zhi)
，對(dui)結(jie)溫(wen)的(de)理(li)解(jie)，仿(fang)真(zhen)和(he)測(ce)量(liang)在(zai)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)
，是(shi)完(wan)成(cheng)精(jing)確(que)熱(re)設(she)計(ji)的(de)基(ji)礎(chu)，目(mu)標(biao)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)利(li)用(yong)率(lv)，降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)成(cheng)本(ben)

，並(bing)保(bao)證(zheng)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。

結溫的測量

熱敏參數法：

在器件定型試驗中，一般會通過測量電參數隨溫度變化來測結溫，在GB/T 29332-2012《半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）》 在測量熱阻時是采用小電流的集電極－發射極電壓作為熱敏參數或柵極－發射極閾值電壓作為熱敏參數間接測量結溫的。

紅外測溫法：

熱敏參數法不是很方便
，但在係統設計中，知道芯片溫度很重要，這就有了測芯片表麵溫度的方法

，JEDEC出版物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature.這種方法主要用於係統定型設計，對散熱係統進行定標
，參考《功率器件熱設計基礎（三）——功率半導體殼溫和散熱器溫度定義和測試方法》。

紅外相機測溫需要做發射率矯正，模塊需要去膠，塗黑，JEP138建議了黑色圖層厚度控製在25-50um

，塗層表麵的發射率大於0.95。哪怕這樣也會改變芯片的熱特性
，均勻的高發射率層可將峰值結溫降低多達2%(°K)。

用yong紅hong外wai相xiang機ji
，你ni可ke以yi方fang便bian的de讀du取qu模mo塊kuai芯xin片pian上shang每mei個ge點dian的de溫wen度du，你ni會hui發fa現xian，芯xin片pian上shang的de並bing不bu一yi致zhi
，中zhong心xin熱re，邊bian緣yuan溫wen度du低di，下xia圖tu的de例li子zi發fa現xian兩liang者zhe要yao差cha15度左右（僅是個測試案例
，不同芯片尺寸和封裝有較大差異）。


那麼
，芯片的虛擬結溫怎麼確定呢
？英飛淩提出的讀取方法是取加權平均
，中心位置權重為邊緣的兩倍。


紅外測量方法

，模塊需要去膠

，塗黑這會降低器件的耐壓，這在實際係統高壓運行時要特別注意，有電壓擊穿的風險。

熱電偶法：

測ce模mo塊kuai的de芯xin片pian溫wen度du還hai可ke以yi用yong熱re電dian偶ou，這zhe需xu要yao做zuo專zhuan門men的de測ce試shi樣yang品pin，樣yang品pin製zhi作zuo過guo程cheng中zhong，在zai芯xin片pian表biao麵mian安an裝zhuang熱re電dian偶ou，然ran後hou灌guan膠jiao。這zhe種zhong模mo塊kuai可ke以yi在zai係xi統tong中zhong正zheng常chang運yun行xing，但dan會hui給gei測ce溫wen儀yi帶dai來lai一yi定ding的de幹gan擾rao。

芯片上傳感器:

最好測芯片溫度的方式是設計帶溫度傳感器的芯片，如CoolMOS™ S7T 600V係列MOSFET
，目標應用是SSR，SSCB和圖騰柱PFC中的慢管。


溫度傳感器是多個二極管串聯
，由於這些二極管的線性溫度特性，隻要使用電流源對它們進行偏置
，它們的正向電壓(VF)就會直接與這些二極管的特定溫度相關。


溫(wen)度(du)感(gan)應(ying)二(er)極(ji)管(guan)並(bing)未(wei)位(wei)於(yu)芯(xin)片(pian)有(you)源(yuan)區(qu)的(de)中(zhong)心(xin)
，真(zhen)正(zheng)熱(re)點(dian)與(yu)溫(wen)度(du)感(gan)應(ying)二(er)極(ji)管(guan)之(zhi)間(jian)仍(reng)有(you)一(yi)段(duan)距(ju)離(li)。因(yin)此(ci)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)熱(re)點(dian)和(he)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)之(zhi)間(jian)溫(wen)差(cha)。

不同封裝溫差不一樣，靜態的時候TOLL封裝約5度
，而QDPAK是8度。


由於存在熱阻抗，溫差ΔT與時間有關
，這意味著較短的熱脈衝與較長的熱脈衝相比，ΔT更高

，參考下表（原表1）。不同芯片尺寸的ΔT不同，可以在參考文獻3）找到多種產品的熱點和溫度傳感器之間的ΔT與單位功率的關係圖，下圖（原圖17）是其中之一。



總結

測芯片溫度有多種方案，適用與不同的測試目的。

熱敏參數法適用於功率器件產品開發
，近年高校也做了很多研究工作，目標是在係統中實時測量結溫，預測模塊壽命。

熱電偶和紅外成像儀測芯片表麵溫度，適用的係統開發中係統熱阻定標，這是高密度功率係統開發的有效手段。

芯xin片pian上shang傳chuan感gan器qi主zhu要yao應ying用yong與yu係xi統tong中zhong實shi時shi測ce量liang結jie溫wen，是shi係xi統tong保bao護hu的de有you效xiao手shou段duan
，由you於yu二er極ji管guan組zu占zhan用yong晶jing圓yuan麵mian積ji
，增zeng加jia芯xin片pian成cheng本ben，但dan通tong過guo高gao功gong率lv密mi度du設she計ji，可ke以yi有you效xiao降jiang低di係xi統tong成cheng本ben。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題
，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

采用係統級模塊方法簡化精密阻抗分析儀的設計

在智能照明產品設計中實施Matter協議的經驗教訓

麵向車載應用的 DC/DC 電源

艾睿電子助力SAVART Motors擴大其在印尼的電動車製造規模

隔離飛電容多電平變換器的硬件設計