馬艷 馬鵬鵬 高飛

摘 要：功率晶閘管使用壽命與其工作溫度密切相關，本文就對功率晶閘管通態(tài)壓降和結溫的關系進行了研究，并設計出了測試功率晶閘管的熱敏曲線，在實際使用中，我們可以通過這一曲線來將功率晶閘管的結溫用容易測得的通態(tài)電壓來表征，為運行功率晶閘管的狀態(tài)檢測提供參考。

關鍵詞：功率晶閘管；結溫；通態(tài)壓降；關系；熱敏；特性

在脈沖功率技術的推廣下，晶閘管也隨之廣泛的應用。作為系統(tǒng)的核心部件之一的晶閘管的運行狀態(tài)直接關系到系統(tǒng)能否正常運作。我們通過理論和實際研究，發(fā)現(xiàn)晶閘管的電氣性能和結溫有著密切的聯(lián)系，我們通過研究晶閘管在不同工作狀態(tài)下的結溫就有助于優(yōu)化和改善晶閘管的性能，進而為保證系統(tǒng)的正常運行提供依據(jù)。

一、當前結溫測試現(xiàn)狀

晶閘管在觸發(fā)導通后，正向電流會在PN結中產(chǎn)生熱量，熱量會緩慢的傳遞給封裝的銅基座，有時候我們對外殼的測溫并不能正確反應晶閘管的結溫，我們對于晶閘管的結溫的測量比較棘手，如何才能正確測量呢？研究者們做了大量的工作，現(xiàn)在比較成熟的技術有熱助抗法、掃描電鏡法、有限元分析法、遠紅外光譜法等，由于功率晶體管在封裝過程中技藝復雜，通過額定電流較大的原因，之前的方法只能是單純測量幾種功率晶閘管，具有使用范圍上的局限性，因此我們討論一種用晶閘管熱敏參數(shù)來反應結溫的方法。

二、功率晶閘管熱敏性

晶閘管內(nèi)部有三個PN結，PN結很多參數(shù)都對溫度十分敏感，溫度的變化會讓特性也發(fā)生變化，所以我們就構思一種PN結參數(shù)特征與溫度的對應關系來反映PN結的溫度，從而獲得運行狀態(tài)下晶閘管芯片的結溫。

從研究文獻中我們得知，一個PN結的同臺壓降具有負溫度的特征，并且通態(tài)壓降隨著PN結的溫度的變高而粗線線性的下降。我們用公式來表示PN結的正向電流與通態(tài)電壓的關系：[If=I0（exp-qUfkT-1）]（公式一），其中[If]為正向電流，[Uf]為通態(tài)電壓，k為泊爾茨曼常數(shù)，1.3806505×[10-23J/K]，q為電子的電荷數(shù)，1.602192×[10-19C]，T是熱力學溫度，[I0]是PN結的反向飽和電流。我們可以得出：[I0=AT3exp-qUg0kT]（公式二），A為常數(shù)，[Ug0]是半導體材料的禁帶寬度。我們把公式二代入公式一中，整理可得到：[Uf=kqlnIfAT+Ug0-3kqTlnT=U1+Unl]（公式三），公式三描述了PN結的通態(tài)壓降、正向電流和結溫的關系，當[If]為恒流時，通態(tài)壓降只與PN溫度有關。當T=0與T=1時，[Unl]表達式求導可以推到出[U'nl=-3kqTlnT'=-3kq（1+lnT）]（公式四），當T=1/e，[Unl]有一個最大極限值點，[Unl]與T關系如圖1，在圖像中高溫區(qū)和低溫區(qū)，[ Unl]隨著T的變化而變化，且呈現(xiàn)非線性變化，但是到了中溫區(qū)T與[Unl]的關系呈現(xiàn)線性關系。

在實際操作中，我們把半導體元件的工作極限值規(guī)定為473K，因此我們利用推導出的公式三來研究功率晶閘管的結溫。

三、熱敏特性的測試

我們設計并建設實驗平臺對功率晶閘管的熱敏性進行測試，我們使用的測試晶閘管為5in冰球型2200A分裝功率晶閘管，測試電流[If]的取值范圍在功率晶閘管能夠?qū)?，又需要減少自身導致的附加發(fā)熱。當[If]=20A，我們認為功率晶閘管芯片已經(jīng)充分導通且小于額定電流，所以在平臺采用了20A的恒流源提供正向電流。

實驗中，我們用烘烤箱將需測試的晶閘管加熱到不同的溫度，然后進過足夠長時間的熱平衡后觸發(fā)功率晶閘管，測量在恒定20A的電流下，此晶閘管的通態(tài)壓降[Uf]，并將獲取的通態(tài)壓降與對應溫度關系畫曲線，形成熱敏特性校準曲線圖（圖3）。

我們觀察功率晶閘管的熱敏曲線的線性在該區(qū)域線性度好，我們也可以推導出：[Tj=?Uf·M]+[Tj0=-200?Uf+531.04]（公式5）。我們通過探究功率晶閘管的通態(tài)壓降可以計算出在此狀態(tài)下的PN結溫。

四、總結

在我們研究功率晶閘管的熱敏特性研究之前，通過設計實驗平臺對晶閘管的熱敏性進行了階段性測試，畫出了該功率晶閘管在20A的恒溫下的熱敏特性曲線，并推導出了功率晶閘管溫度和通態(tài)壓降的公式，取得了預想的實驗效果，為后期的測量晶閘管的通態(tài)壓降并取的結溫創(chuàng)造了前提。

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