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2018.06.07 Si功率元器件

确认芯片温度

实际工作中的晶体管适用性确认

在本章中介绍判断所选的晶体管在实际工作中是否适用的方法和步骤。

本文将对虽然右侧流程图中没有提及,但在下面项目中有的第⑦“确认芯片温度”进行说明。基本上只要⑥“确认平均功耗在额定功率范围内”完成,就基本上没有问题了,不过可以再从芯片温度的角度上确认一下安全性。

测量实际的电流/电压波形
确认在绝对最大额定值范围内
确认在SOA(安全工作区)范围内
确认在使用环境温度下降额的SOA范围内
⑤连续脉冲(开关工作)
确认平均功耗在额定功率范围内
⑦确认芯片温度

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⑦确认芯片温度

在上一篇文章“确认平均功耗在额定功率范围内”的结尾处谈到了“确认功耗是否在额定范围内的方法有几种,不过最终还是判断Tj是否在绝对最大额定值范围内。”。本文将作为其后续内容来介绍一下芯片温度即Tj的求法。

实际上,只要功耗在规定的额定值范围内,芯片温度也会在绝对最大额定值范围内。这是因为就像上一篇提到的,额定功率的计算是基于芯片温度的。因此,使用条件是否适当,通过这之前的确认步骤即可作出判断。不过,之所以再增加芯片温度确认这一步,一是为了提高确定性,另外还可以作为考虑一旦意外超出规定的额定值时的对策时的依据。

决定芯片温度的因素之一是热阻。热阻下降时芯片温度就会随之降低,这在后面会通过公式进行说明。在使用条件的限制中,通常会要求芯片温度Tj在最大额定值范围内,并且要进行散热设计以获得所需的功率。在不改变晶体管单体的热阻的情况下可以处理的功率,远远低于晶体管本身所具有的能力。尤其是功率晶体管,多与散热器配合使用。在这种情况下散热设计的基础就是芯片温度Tj。

什么是芯片温度

为保险起见,在此明确一下什么是芯片温度。芯片温度是指晶体管芯片本身的温度Tj(结温)。芯片温度Tj是周围(环境)温度Ta与芯片发热量相加后的温度,是考虑额定值和寿命时最重要的因素之一。

芯片温度的计算

包括示例中使用的R6020ENZ在内,由于近年来的晶体管芯片是由树脂密封的,当然就无法直接测得芯片的温度。因此,Tj基本上是通过计算来求得的。以下为计算公式示例。。

Tj=Ta+θja×P

※ Tj:芯片(结点)温度,Ta:环境温度(℃),θja:结点到环境间的热阻(℃/W),P:功耗(W)

前面已经略作说明,如公式所示,芯片温度Tj是热阻×功率,即芯片发热量与环境温度Ta的总和。这是最基本的公式。

图中给出了各部分的温度与热阻之间的关系。图中虽然包括散热片,不过外壳(封装)温度Tc只是晶体管封装表面的温度。热阻的关系如下。

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没有散热片时的θca只是简单地从给出的θja减去θjc后的值。有散热片时散热片的热阻相当于θca,反过来θja并不是单体给出的值,而是θjc与θca的总和。下表是从技术规格书中摘录的。功率晶体管绝大多数都使用散热片,所以一般会提供θja和θjc。

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通常θjc会远远低于θja,因此通过散热片的热阻可大幅降低θja。单体的θja(表中为TthJA)为40℃/W,比如使用10℃/W的散热片即可将θja降至11.04℃/W*。另外,假设散热片是无限大的散热片时,可以认为θja=θjc。(* 仅仅是用于举例的简单计算。实际的θca需要考虑封装表面与散热片间结面的热阻。另外,本来散热片的热阻是计算出Tj在额定值范围内所需的值后再选择的。)

最后,只要具备了计算所需的数值,计算就非常容易了。功耗需要在上一篇提到的平均功耗的基础上,还要考虑到最差条件等因素。Ta基本上应为实测值。但是,测量Ta其实并不容易。测量时只要用热电偶测量环境温度即可,但是发热体附近和距离发热体远的位置之间的温度差别很大。另外,还有安装在实际设备的框体内,空冷风扇使空气流动等情况,究竟以哪个条件下的环境温度为Ta,实际上是相当难的问题。对此,近年来使用Tc求Tj的作法越来越多。

由Tc求Tj的方法

近年来,随着热成像和辐射温度计等的普及,封装表面的温度测量已经比以往相对容易。用于计算的Tc使用封装表面最高的温度,而利用热成像可以一目了然地查看封装表面的最高温度,非常方便。

这个方法对于表面贴装型封装是很有效的方法,但对于上图中的TO-220型通孔插装器件则需要采用稍微不同的方法。TO-220型的功率晶体管在实际使用时,几乎都与散热片一起使用,散热片一般被设置在封装的背面。所以如上图所示,这种情况下的外壳(封装)温度(不是背面和表面,而是指θjc的c)是与散热片之间的结面温度。而且,由于与散热片在一起,所以使用热成像仪测量外壳温度(与散热片间的结面)并不现实。

作为替代方法,一种选择是使用热电偶。在散热片上打孔,将热电偶放在封装背面来测量温度。

另外,还可以根据散热片的温度来反向推算。在这种情况下,需要的不是散热片的θca,而是散热片本身的热阻。亦或回归根本,通过Ta来计算可能更简单。重要的是准确获得Tj。不管采用什么方法都是带有余量的,所以需要考虑精度究竟要求到什么程度。

接下来,请看由Tc计算的公式。根据前面提到的热阻的关系,公式如下。

Tj=Tc+θjc×P

※ Tc:外壳(封装)表面最高温度(℃),θjc:结点与外壳表面间的热阻(℃/W),
  P:功耗(W)

至此可以得出结论:只要Tj未超过最大额定值150℃,所选的晶体管就是合适的。但是在前面也提到过,基本上是需要散热设计的,所以即使Tj超过了150℃,也可以通过降低热阻来解决。

关键要点:

・最终需要确认Tj是否超过了绝对最大额定值。

・Ta或Tc与发热量(热阻×功耗)的和是Tj。

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