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(guān)，本文就對(duì)功率晶閘管通態(tài)壓降和結(jié)溫的關(guān)系進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出了測試功率晶閘管的熱敏曲線，在實(shí)際使用中，我們可以通過這一曲線來將功率晶閘管的結(jié)溫用容易測得的通態(tài)電壓來表征，為運(yùn)行功率晶閘管的狀態(tài)檢測提供參考。

關(guān)鍵詞：功率晶閘管；結(jié)溫；通態(tài)壓降；關(guān)系；熱敏；特性

在脈沖功率技術(shù)的推廣下，晶閘管也隨之廣泛的應(yīng)用。作為系統(tǒng)的核心部件之一的晶閘管的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到系統(tǒng)能否正常運(yùn)作。我們通過理論和實(shí)際研究，發(fā)現(xiàn)晶閘管的電氣性能和結(jié)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(jié)溫就有助于優(yōu)化和改善晶閘管的性能，進(jìn)而為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供依據(jù)。

一、當(dāng)前結(jié)溫測試現(xiàn)狀

晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通后，正向電流會(huì)在PN結(jié)中產(chǎn)生熱量，熱量會(huì)緩慢的傳遞給封裝的銅基座，有時(shí)候我們對(duì)外殼的測溫并不能正確反應(yīng)晶閘管的結(jié)溫，我們對(duì)于晶閘管的結(jié)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(shù)有熱助抗法、掃描電鏡法、有限元分析法、遠(yuǎn)紅外光譜法等，由于功率晶體管在封裝過程中技藝復(fù)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(yīng)結(jié)溫的方法。

二、功率晶閘管熱敏性

晶閘管內(nèi)部有三個(gè)PN結(jié)，PN結(jié)很多參數(shù)都對(duì)溫度十分敏感，溫度的變化會(huì)讓特性也發(fā)生變化，所以我們就構(gòu)思一種PN結(jié)參數(shù)特征與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來反映PN結(jié)的溫度，從而獲得運(yùn)行狀態(tài)下晶閘管芯片的結(jié)溫。

從研究文獻(xiàn)中我們得知，一個(gè)PN結(jié)的同臺(tái)壓降具有負(fù)溫度的特征，并且通態(tài)壓降隨著PN結(jié)的溫度的變高而粗線線性的下降。我們用公式來表示PN結(jié)的正向電流與通態(tài)電壓的關(guān)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(xué)溫度，[I0]是PN結(jié)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(dǎo)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(jié)的通態(tài)壓降、正向電流和結(jié)溫的關(guān)系，當(dāng)[If]為恒流時(shí)，通態(tài)壓降只與PN溫度有關(guān)。當(dāng)T=0與T=1時(shí)，[Unl]表達(dá)式求導(dǎo)可以推到出[U'nl=-3kqTlnT'=-3kq（1+lnT）]（公式四），當(dāng)T=1/e，[Unl]有一個(gè)最大極限值點(diǎn)，[Unl]與T關(guān)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(guān)系呈現(xiàn)線性關(guān)系。

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

三、熱敏特性的測試

我們設(shè)計(jì)并建設(shè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)功率晶閘管的熱敏性進(jìn)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(dǎo)致的附加發(fā)熱。當(dāng)[If]=20A，我們認(rèn)為功率晶閘管芯片已經(jīng)充分導(dǎo)通且小于額定電流，所以在平臺(tái)采用了20A的恒流源提供正向電流。

實(shí)驗(yàn)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(jìn)過足夠長時(shí)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(duì)應(yīng)溫度關(guān)系畫曲線，形成熱敏特性校準(zhǔn)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(dǎo)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(jì)算出在此狀態(tài)下的PN結(jié)溫。

四、總結(jié)

在我們研究功率晶閘管的熱敏特性研究之前，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)晶閘管的熱敏性進(jìn)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(dǎo)出了功率晶閘管溫度和通態(tài)壓降的公式，取得了預(yù)想的實(shí)驗(yàn)效果，為后期的測量晶閘管的通態(tài)壓降并取的結(jié)溫創(chuàng)造了前提。

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