溫建國， 陳曉月， 王明鑫

（華北光電技術(shù)研究所， 北京 100015）

0 引言

紅外探測組件， 是一種對溫度高靈敏被動式半導(dǎo)體成像器件，為達(dá)到最佳的成像質(zhì)量，通常工作在穩(wěn)定的低溫環(huán)境下。 一般通過斯特林制冷機(jī)組件中的驅(qū)動控制器進(jìn)行精準(zhǔn)控溫調(diào)節(jié)， 為紅外探測器組件提供所需穩(wěn)定的低溫環(huán)境。 隨著紅外探測器組件在惡劣熱真空環(huán)境下的廣泛使用， 對紅外探測器組件中的斯特林制冷機(jī)驅(qū)動控制器提出了更高的指標(biāo)要求。 因此需要對斯特林制冷機(jī)驅(qū)動控制器的元器件在高溫環(huán)境下應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，尤其是對驅(qū)動器電路中發(fā)熱大的功率元器件易受到工作高溫環(huán)境與自身散熱的影響， 在惡劣高溫環(huán)境下的承受能力進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和應(yīng)用研究。 本文主要介紹了紅外探測器組件中斯特林制冷機(jī)驅(qū)動控制器中大功率器件在高溫環(huán)境下的選型，降額設(shè)計(jì)，元器件布局布線，散熱設(shè)計(jì)，最終根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，提出了設(shè)計(jì)方案和最終散熱整改措施， 使得斯特林制冷機(jī)能夠確保紅外探測器組件在極端惡劣的熱真空環(huán)境下可以正常工作， 并輸出高質(zhì)量紅外圖像。

1 紅外探測器制冷機(jī)組件工作原理與驅(qū)動控制器功率元器件的選型設(shè)計(jì)

紅外探測器組件斯特林制冷機(jī)[1]工作原理流程圖如圖1 所示，通過制冷機(jī)驅(qū)動控制器的閉環(huán)控制，制冷機(jī)冷量通過金屬杜瓦冷指耦合結(jié)構(gòu)的輸出與傳遞最終與紅外探測芯片的熱負(fù)載保持一個平衡狀態(tài)。 使得紅外器件工作在相對穩(wěn)定的低溫環(huán)境中。

圖1 紅外探測器組件斯特林制冷工作原理流程圖

其中制冷機(jī)驅(qū)動控制器主要負(fù)責(zé)通過對溫度電信號的處理控制制冷機(jī)內(nèi)直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速， 最終達(dá)到控制斯特林制冷機(jī)冷量輸出與紅外探測器件熱負(fù)載的動態(tài)平衡。 其內(nèi)部主要包含了電源處理電路（濾波、變換等）、信號處理電路（放大，PWM 調(diào)制等）、防護(hù)電路和最終推動電機(jī)旋轉(zhuǎn)的功率輸出電路等功能模塊。由于驅(qū)動控制器中功率輸出電路是電路中主要耗散和發(fā)熱源， 因此其中的功率器件（MOSFET）的選型設(shè)計(jì)和參數(shù)選取至關(guān)重要。

斯特林制冷機(jī)驅(qū)動控制器采用集成裝配設(shè)計(jì)形式，驅(qū)動控制器電路的安裝空間有限， 功率器件的選型無法采用直插大封裝或裝備散熱器等散熱良好的功率器件，器件尺寸必須依照小型化板型進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。其次，選用功率MOSFET 器件前， 評估本產(chǎn)品高溫環(huán)境下帶載情況的峰值輸入功率＜19W，控溫階段輸入功率＜12W，整體功耗情況為小功率輸出產(chǎn)品，并通過式（1）計(jì)算產(chǎn)品連續(xù)峰值輸出電流＜0.8A。 MOSFET 選型最終綜合尺寸小型化設(shè)計(jì)與連續(xù)峰值輸出電流情況，選用了進(jìn)口的SO8 表貼小封裝形式，N-P 對管MOSFET 產(chǎn)品，主要設(shè)計(jì)選型考慮的器件參數(shù)如表1 所示。

表1 參數(shù)表

其中實(shí)測產(chǎn)品的連續(xù)電流峰值為0.8A，應(yīng)用式（2）可以得出MOSFET 最高的實(shí)際導(dǎo)通耗散功耗約為0.08W，其它一些雜散功耗（如開關(guān)損耗，驅(qū)動損耗，截至損耗等）約為0.02W，整體產(chǎn)品的實(shí)際工作中的峰值電流ID 與耗散功耗PD 均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所選MOSFET 器件額定參數(shù)值，完全滿足產(chǎn)品應(yīng)用的高溫環(huán)境的極限要求。

參數(shù)值中的開啟與關(guān)斷時間主要是產(chǎn)品處于PWM調(diào)制控溫階段，對波形的影響，實(shí)際應(yīng)用中，PWM 開關(guān)頻率為25KHz 左右，所選器件的ns 級開啟關(guān)斷時間完全能夠滿足產(chǎn)品波形調(diào)制的要求。

參數(shù)值中的結(jié)殼熱阻R（th）j-a最大為55℃/W，通過結(jié)殼熱阻值與上述總耗散功耗值 （0.1W） 可以計(jì)算得到MOSFET 器件工作時整體的耗散功耗對應(yīng)溫升約為6℃左右。對比表中工作溫度范圍，可以看到產(chǎn)品選型完全滿足驅(qū)動控制器工作中的溫升需要。

2 功率元器件的降額設(shè)計(jì)

元器件選用后， 根據(jù)探測器組件產(chǎn)品使用的項(xiàng)目要求，還需要對器件主要參數(shù)進(jìn)行降額設(shè)計(jì)評估。降額設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)選用的元器件工作時承受的工作應(yīng)力依照規(guī)范要求的降額因子應(yīng)適當(dāng)?shù)陀谠骷念~定值， 達(dá)到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的。紅外探測器組件在本項(xiàng)目使用的元器件一般按照GJB/Z 35-1993《元器件降額準(zhǔn)則》[2]規(guī)定進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，大致分為三個等級，降額因子為0.5～0.9 之間。 依照項(xiàng)目要求標(biāo)準(zhǔn)，本產(chǎn)品選用的元器件參數(shù)降額等級均要求為Ⅰ級降額， 確定功率元器件（MOSFET）的合理的降額系數(shù)為在0.5～0.6。 其降額設(shè)計(jì)主要是從電壓、電流、功率和工作溫升等四個方面進(jìn)行考慮。 降額設(shè)計(jì)時， 額定選用器件數(shù)據(jù)手冊中最小參數(shù)值，實(shí)際使用值選用產(chǎn)品的最大的峰值。本產(chǎn)品選用的功率器件的降額設(shè)計(jì)如表2 所示。 按產(chǎn)品降額實(shí)際使用值與額定值之間的比值，使用式（3）：

表2 功率器件降額設(shè)計(jì)表

下述電壓、電流、功率等三個主要降額參數(shù)均滿足降額準(zhǔn)則中小于I 級降額系數(shù)的要求； 溫度降額可以應(yīng)用準(zhǔn)則中的使用式（4）：

產(chǎn)品結(jié)溫按150℃，TC應(yīng)為85℃；根據(jù)總功耗與產(chǎn)品結(jié)殼熱阻55℃/W 計(jì)算高溫環(huán)境（Th）60℃時總溫升，按式（5）計(jì)算出整體芯片溫升約為66℃， 滿足T＜TC符合項(xiàng)目的I級降額。

3 布局布線與散熱設(shè)計(jì)

本文所述驅(qū)動控制器選用MOSFET 功率器件為國外生產(chǎn)的N、P 組合型功率MOS 管，主要用于組成功率輸出的H 橋斬波電路[3]形式，是驅(qū)動器對外連接電機(jī)的端口。通過驅(qū)動控制器內(nèi)部電路產(chǎn)生的PWM[4]調(diào)制波對功率輸出電路的H 橋進(jìn)行控制，驅(qū)動三相直流無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，H橋上下端MOS 開關(guān)時間波形如圖2 所示，是輸出功率的主要電路，其中的組成H 橋的MOSFET 器件也是驅(qū)動控制器的主要發(fā)熱源。在選用功率器件時主要考慮了電壓、電流、功耗、殼溫等降額設(shè)計(jì)外，同時也考慮到選用的產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻RDS 僅為mΩ 級，在高電壓和大電流的情況下，低的導(dǎo)通電阻可以提高產(chǎn)品輸出效率，降低器件自身的導(dǎo)通耗散功耗，進(jìn)一步改善芯片自身的發(fā)熱狀況。在板圖的設(shè)計(jì)時， 針對上述使用情況和功率器件特點(diǎn)進(jìn)行有針對性的布局布線。首先布局時，由于輸出功率器件工作時具有干擾大， 發(fā)熱大等特點(diǎn)將其作為驅(qū)動控制電路的主要干擾源， 整體放在電路板邊緣部分，并做好柵極端接阻抗的匹配，增加續(xù)流二極管，盡量切斷傳導(dǎo)（CD）和輻射（RD） 兩個耦合方式對抗擾度低，敏感的模擬處理和信號反饋電路模塊的影響，提前做好整體產(chǎn)品的電磁兼容[5]（EMC）設(shè)計(jì)。 同時將功率器件放置在電路板邊緣位置利于后期散熱設(shè)計(jì)， 減小了工作在高溫環(huán)境下器件自身發(fā)熱對整體電路的影響。

圖2 H 橋上下端MOS 開關(guān)時間波形圖

布線時增大整體電源輸入線寬， 輸出采用整體敷銅增加輸出線體的尺寸，依照工程估算式（6）[6]：

式中：K—修正系數(shù)； 內(nèi)層取0.024， 外層取0.048；T—溫升；A—敷銅面積（mil2）；I—容許的電流（A）。

結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品使用的峰值電流情況并考慮到可靠性與板內(nèi)布線尺寸能力，本產(chǎn)品PCB 制板采用1oz 敷銅，輸入與輸出均采用80mil 線寬[7]。 降低電路板設(shè)計(jì)中輸入輸出引線阻抗的影響，降低功耗，降低發(fā)熱，從而保證產(chǎn)品高溫環(huán)境下的可靠性。

散熱設(shè)計(jì)考慮采用導(dǎo)熱橡膠[8]對器件與外金屬蓋板間進(jìn)行填充；導(dǎo)熱橡膠材料具有阻燃防火的性能，同時又非常柔軟， 能夠完全填充熱源與散熱材料之間的間隙，增大了散熱面積，完美的進(jìn)行全接觸式散熱，同時還具有很好的減震、絕緣、密封的作用[9]。但第一次設(shè)計(jì)時，由于選用材料的導(dǎo)熱系數(shù)0.8W/（m·K）， 填充間隙厚度為4mm，裝配效果如圖3 所示。實(shí)測中由于選用的導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)低， 填充間隙厚度過大， 芯片熱量無法有效導(dǎo)出，散熱效率低。 不但無法起到好的散熱效果， 反而為器件散熱增加了熱阻。

圖3 4mm 填充間隙散熱設(shè)計(jì)

其后對散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面整改。 為增加散熱效率，將驅(qū)動蓋板材料由硬鋁改為紫銅，提高了散熱材料本身的導(dǎo)熱系數(shù)使得驅(qū)動蓋板導(dǎo)熱系數(shù)[10]增大3 倍（λ 鋁合金=123W/（m·K）→λ 紫銅=386W/（m·K）， 選用另外一款厚度為0.5mm 薄型填充導(dǎo)熱橡膠材料， 材料的導(dǎo)熱系數(shù)也提升到3W/（m·K）， 同時在后蓋散熱紫銅板上增加凸臺設(shè)計(jì)減少散熱材料與熱源之間的間隙， 整體間隙由原來的4mm 降低到了0.35mm 左右， 填充材料整體變形控制在20%～30%之間，符合填充材料使用的要求。整體散熱設(shè)計(jì)后的裝配結(jié)果如圖4 所示。 通過更換導(dǎo)熱驅(qū)動蓋板使用材料，增加導(dǎo)熱能力，使用導(dǎo)熱系數(shù)更高的導(dǎo)熱橡膠材料，增強(qiáng)導(dǎo)熱性能，減小導(dǎo)熱填充間隙，縮短導(dǎo)熱路徑長度，使得整體熱量傳遞效果得到明顯提升。 最終整體產(chǎn)品熱仿真結(jié)果如圖5 所示，滿足產(chǎn)品最終的設(shè)計(jì)要求。

圖4 整改后散熱設(shè)計(jì)

圖5 整體產(chǎn)品熱仿真結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)闡述了斯特林制冷機(jī)驅(qū)動控制器中功率元器件在熱環(huán)境下的選型設(shè)計(jì)、電路布局設(shè)計(jì)、散熱驗(yàn)證與工程應(yīng)用，關(guān)鍵是選型之初要明確主要的電學(xué)參數(shù)，并依據(jù)GJB/Z 35-1993《元器件降額準(zhǔn)則》進(jìn)行產(chǎn)品必要的降額設(shè)計(jì)，通過電路的布局布線的優(yōu)化功率器件產(chǎn)生的熱耗，最終通過產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)使得功率器件自身工作時產(chǎn)生的熱量能夠迅速有效的導(dǎo)出到散熱蓋板，并通過散熱蓋板進(jìn)行散熱，從而改善了功率器件在高溫環(huán)境下的工作環(huán)境，提高了驅(qū)動控制器產(chǎn)品在高溫環(huán)境下的可靠性并延長使用壽命。文中所述方法與措施為今后科研生產(chǎn)中高溫環(huán)境下的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。