尚 超

（濰坊學(xué)院，山東 濰坊 261061）

發(fā)熱及溫度分布的均勻性，對(duì)半導(dǎo)體功率器件參數(shù)的穩(wěn)定性、品質(zhì)的可靠性以及器件、整片集成電路乃至整機(jī)和系統(tǒng)的壽命都有不可忽視甚至是決定性的影響［1－3］。熱阻是半導(dǎo)體器件的重要技術(shù)指標(biāo)和特性，是器件熱特性的特征參數(shù)，它與器件的電特性和機(jī)械特性密切相關(guān)，與器件的額定電流、壓降和最高結(jié)溫等基本參數(shù)有定量關(guān)系。熱阻是分析器件質(zhì)量和應(yīng)用等諸多計(jì)算不可或缺的參數(shù)［4］。

20世紀(jì)80年代末，前蘇聯(lián)阿·法·約物理科學(xué)研究院的格列霍夫等人提出了一種新型功率器件—反向開關(guān)晶體管（RSD，ReverselySwitchedDynistor）。它具有通流能力強(qiáng)、di／dt高、壽命長、成本低、損耗小、易于串、并聯(lián)使用等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而有著廣泛的應(yīng)用前景［5］。

RSD是一種新型半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)的功率器件（如晶閘管、IGBT等），故有其特殊的工作原理［6］。目前還沒有關(guān)于RSD熱阻計(jì)算的報(bào)道。本文基于RSD特殊的工作方式，提出一種計(jì)算其熱阻的方法，設(shè)計(jì)并搭建了一定的輔助電路，計(jì)算得到了一定規(guī)格RSD的熱阻值。

1 RSD的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

圖1所示為RSD的基本結(jié)構(gòu)及工作原理圖。RSD是由數(shù)萬只非對(duì)稱排列的pnpn晶閘管和npn晶體管多單元并聯(lián)組成的二端結(jié)構(gòu)，其正向如晶閘管斷態(tài)，可承受數(shù)千伏的阻斷電壓。RSD的導(dǎo)通過程分反向預(yù)充和正向?qū)?，這兩個(gè)過程靠磁開關(guān)隔離。當(dāng)施一脈寬1～2μs，幅值1.5～2kA的反向預(yù)充電流后，RSD可以納秒級(jí)速度開通數(shù)十至數(shù)百千安的大電流。主電路和預(yù)充回路之間的磁開關(guān)除了隔離主電壓外，還可以提高開關(guān)的開通速度。RSD工作過程的詳細(xì)解釋參見文獻(xiàn)［5］。

根據(jù)文獻(xiàn)［7］，本文對(duì)RSD熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的推導(dǎo)過程作簡要贅述。假定熱穩(wěn)定后RSD管殼的溫度保持不變，熱量沿?zé)崧穢＝L并垂直于材料的橫截面積S流動(dòng)，可由以下熱流偏微分方程解析這種一維散熱系統(tǒng)：

該方程的邊界條件為：

式中，K為熱導(dǎo)率，ρ為材料密度，c為材料比熱，Pd（t）為半導(dǎo)體結(jié)的耗散功率，Tc為器件管殼溫度?，F(xiàn)用常量h把（1）式離散化：

式中，h＝L／n，取適當(dāng)?shù)膎值會(huì)得到較高的精度。令R＝h／KS，C＝hρcS，（2）式可改寫成：

（3）式確定了RSD熱流系統(tǒng)的電熱模擬關(guān)系，ΔT對(duì)應(yīng)于電壓，Pd對(duì)應(yīng)于電流。圖2為RSD熱流系統(tǒng)的模擬電路示意圖。圖中R為熱阻，C為熱容。當(dāng)RSD結(jié)產(chǎn)生的熱量等于傳導(dǎo)走的熱量時(shí)，器件就達(dá)到一種熱穩(wěn)定狀態(tài)，在穩(wěn)態(tài)散熱過程，可以忽略熱容的影響，這時(shí)電路可簡化為純阻性，其熱冷端產(chǎn)生的溫差為：

由此得RSD的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型為：

式中，Tj、Tc分別為RSD器件的結(jié)溫和殼溫，Pd是附加于器件上的功率。

2 RSD熱阻測量原理

器件熱阻包括結(jié)到管殼基準(zhǔn)點(diǎn)的熱阻、結(jié)到散熱器基準(zhǔn)點(diǎn)的熱阻、結(jié)到環(huán)境規(guī)定點(diǎn)的熱阻等。本文認(rèn)為RSD的熱阻由管芯熱阻、管芯管座接觸熱阻和管殼熱阻三部分組成。基于此，計(jì)算過程做以下假設(shè)：（1）電流持續(xù)時(shí)允許熱量從管芯向其周圍邊界層擴(kuò)散；（2）測量殼溫時(shí)，認(rèn)為其溫度分布是均勻的；（3）忽略溫度引起的硅器件傳導(dǎo)率和比熱的變化；（4）僅考慮由電流傳導(dǎo)引起的功率損耗。

2.1 確定RSD熱敏參數(shù)（TSP）的電壓溫度方程

根據(jù)半導(dǎo)體物理的理論，理想PN結(jié)的正向電流IF和正向電壓VF存在如下近似關(guān)系式：

式中，q為電子電量，T為熱力學(xué)溫度，In為反向飽和電流，它是一個(gè)和PN結(jié)材料禁帶寬度以及溫度有關(guān)的系數(shù)?？梢宰C明（忽略過程）：

式中，C是與PN結(jié)的結(jié)面積、摻雜濃度等有關(guān)的常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，r在一定范圍內(nèi)也為常數(shù)，Vg（0）是熱力學(xué)溫度為0K時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂?shù)碾妱莶?，?duì)于給定的PN結(jié)材料，Vg（0）是一個(gè)定值。將（7）式帶入（6）式，兩邊取對(duì)數(shù)，整理后得：

其中：

（8）式是PN結(jié)正向壓降作為電流和溫度的函數(shù)表達(dá)式，它是PN結(jié)溫度傳感器的基本方程。實(shí)際情況下，VF與溫度成線性比例的部分V1對(duì)它的影響遠(yuǎn)大于非線性部分Vnr，故可以認(rèn)為在一定溫度范圍內(nèi)，VF與溫度成線性比例關(guān)系。

通過測量不同溫度下的RSD反向?qū)▔航担耄?）式可以得到RSD的相關(guān)熱敏方程。

2.2 器件熱阻的估算

給RSD施加反向電壓，使其反向以準(zhǔn)二極管模式導(dǎo)通，調(diào)節(jié)負(fù)載，使反向流過RSD的電流達(dá)到一定值，并保持一定的時(shí)間，使器件達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，用紅外測溫儀測得器件表面溫度Tc，同時(shí)測得該溫度下器件兩端壓降，結(jié)合熱敏方程，計(jì)算此時(shí)器件結(jié)溫Tj，將各參數(shù)帶入（5）式，可得到器件的熱阻值。

多次重復(fù)上述過程，得到多個(gè)熱阻值，取其平均值作為RSD的等效熱阻值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)用RSD為單片管芯封裝，直徑16mm，耐壓1.5kV。將RSD放在加熱爐內(nèi)加熱足夠長時(shí)間，使結(jié)溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，給器件通短時(shí)（以免因電流熱效應(yīng)影響測量精度）、大小為32A的電流，測其兩端的電壓降，數(shù)據(jù)記錄如表1。

圖3 估算器件結(jié)溫電路原理圖

表1 32A電流下器件的溫度和壓降

由表1可知，電流一定時(shí)，器件兩端壓降隨溫度升高而降低，當(dāng)溫度從30℃增至100℃時(shí)，器件反向壓降從2.107V下降到1.831V，下降約0.276V。

（9）式可改寫為：VF＝A－BTj，將表1中的數(shù)據(jù)（溫度單位為開氏）帶入該式解得：A＝2.801，B＝0.0026。帶入得到RSD的熱敏溫度方程：

圖3所示電路中的調(diào)壓器為浙江正泰電器股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為TDGC2－10，輸出容量為10kVA，輸出電流為0～250A。電感L為9.4mH。C是容量為3300μF的電解電容。直流負(fù)載箱為艾普斯電源（蘇州）有限公司生產(chǎn)，其額定電壓為30VDC，額定電流為400ADC。

待器件結(jié)溫冷卻至室溫后，按圖3所示搭建電路。給RSD通32A的反向電流，并持續(xù)一定時(shí)間，待器件達(dá)到熱平衡，用高精度數(shù)字萬用表測器件兩端電壓降，同時(shí)用紅外測溫儀測器件殼溫，進(jìn)行多次測量，數(shù)據(jù)記錄如表2。

由表2中的數(shù)據(jù)，結(jié)合方程（11），計(jì)算此時(shí)RSD的結(jié)溫為104.3℃，附加于器件上的功率P＝32A×1.82V＝58.24W，由公式（2）得：

結(jié)果表明RSD器件的熱阻值較小，其較小的熱阻可使RSD在工作過程中產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，保證RSD應(yīng)用于重頻脈沖功率領(lǐng)域而不至于因熱效應(yīng)損壞。

表2 RSD的反向壓降隨結(jié)溫變化關(guān)系

4 重復(fù)頻率下RSD結(jié)溫的估算

為了估算重復(fù)頻率工作時(shí)RSD的結(jié)溫，設(shè)計(jì)并搭建了基于四倍壓充電的RSD重頻工作電路，結(jié)構(gòu)圖見圖4。此處忽略其工作過程的詳細(xì)說明。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及仿真優(yōu)化，最終確定電路參數(shù)：主電容C1為3μF，預(yù)充電容C2為0.22μF，負(fù)載RL為0.6Ω，耗能電阻R2為0.24Ω，電感L1為2μH。利用上述電路參數(shù)，在1.2kV主電壓下得到了RSD的重復(fù)開通特性，見圖5。預(yù)充采用諧振式。RSD連續(xù)工作時(shí)間為20s（保證器件達(dá)到熱平衡）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用紅外測溫儀測得RSD的管殼溫度為58.4℃，對(duì)電壓電流波形積分得到RSD消耗的功率為8W。由圖5的波形可見，RSD工作電壓基本穩(wěn)定在1.2kV，隨著時(shí)間延長，電壓有輕微下降，這是因?yàn)殡娙莩潆娝俣炔粔蚩?，與脈沖形成速度不匹配。

圖4 RSD重復(fù)頻率電路結(jié)構(gòu)

圖5 500Hz下的RSD開通電壓特性

把計(jì)算得到的熱阻值和實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入式（5），可以得到器件在1.2kV主電壓下，以500Hz頻率工作20s時(shí)的結(jié)溫為60.8℃。這些結(jié)果表明RSD工作在重頻條件下，其結(jié)溫不會(huì)上升太高。因此，RSD是理想的脈沖功率開關(guān)，工作頻率可大幅提高。

5 結(jié)論

本文利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)RSD器件特殊的工作原理，提出了一種估算RSD熱阻的方法，輔以簡單的電路，計(jì)算得到了Φ16RSD的熱阻值為0.3℃／W。RSD較小的熱阻值使器件在工作中積累的熱量能夠及時(shí)散出，保證器件不會(huì)發(fā)生熱失效。在1.2kV主電壓下，得到了RSD工作在500Hz頻率下的波形，并計(jì)算出連續(xù)工作20s后的結(jié)溫為60.8℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，RSD器件可以連續(xù)工作于重復(fù)頻率脈沖功率領(lǐng)域。

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