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Si功率元件

實際工作中的電晶體適用性確認

確認晶片溫度

在本章中介紹判斷所選的電晶體在實際工作中是否適用的方法和步驟。

本文將對雖然右側流程圖中沒有提及,但在下面項目中有的第⑦“確認晶片溫度”進行說明。基本上只要⑥“確認平均功耗在額定功率範圍內”完成,就基本上沒有問題了,不過可以再從晶片溫度的角度上確認一下安全性。

測量實際的電流/電壓波形
確認在絕對最大額定值範圍內
確認在SOA(安全工作區)範圍內
確認在使用環境溫度下降額的SOA範圍內
⑤連續脈衝(開關工作)
確認平均功耗在額定功率範圍內
⑦確認晶片溫度

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⑦確認晶片溫度

在上一篇文章“確認平均功耗在額定功率範圍內”的結尾處談到了“確認功耗是否在額定範圍內的方法有幾種,不過最終還是判斷Tj是否在絕對最大額定值範圍內。”。本文將作為其後續內容來介紹一下晶片溫度即Tj的求法。

實際上,只要功耗在規定的額定值範圍內,晶片溫度也會在絕對最大額定值範圍內。這是因為就像上一篇提到的,額定功率的計算是基於晶片溫度的。因此,使用條件是否適當,通過這之前的確認步驟即可作出判斷。不過,之所以再增加晶片溫度確認這一步,一是為了提高確定性,另外還可以作為考慮一旦意外超出規定的額定值時的對策時的依據。

決定晶片溫度的因素之一是熱阻。熱阻下降時晶片溫度就會隨之降低,這在後面會通過公式進行說明。在使用條件的限制中,通常會要求晶片溫度Tj在最大額定值範圍內,並且要進行散熱設計以獲得所需的功率。在不改變電晶體單體的熱阻的情況下可以處理的功率,遠遠低於電晶體本身所具有的能力。尤其是功率電晶體,多與散熱器配合使用。在這種情況下散熱設計的基礎就是晶片溫度Tj。

什麼是晶片溫度

為保險起見,在此明確一下什麼是晶片溫度。晶片溫度是指電晶體晶片本身的溫度Tj(結溫)。晶片溫度Tj是周圍(環境)溫度Ta與晶片發熱量相加後的溫度,是考慮額定值和壽命時最重要的因素之一。

晶片溫度的計算

包括示例中使用的R6020ENZ在內,由於近年來的電晶體晶片是由樹脂密封的,當然就無法直接測得晶片的溫度。因此,Tj基本上是通過計算來求得的。以下為計算公式示例。

Tj=Ta+θja×P

※ Tj:晶片(結點)溫度,Ta:環境溫度(℃),θja:結點到環境間的熱阻(℃/W),P:功耗(W)

前面已經略作說明,如公式所示,晶片溫度Tj是熱阻×功率,即晶片發熱量與環境溫度Ta的總和。這是最基本的公式。

圖中給出了各部分的溫度與熱阻之間的關係。圖中雖然包括散熱片,不過外殼(封裝)溫度Tc只是電晶體封裝表面的溫度。熱阻的關係如下。

20171128_graf_01

沒有散熱片時的θca只是簡單地從給出的θja減去θjc後的值。有散熱片時散熱片的熱阻相當於θca,反過來θja並不是單體給出的值,而是θjc與θca的總和。下表是從技術規格書中摘錄的。功率電晶體絕大多數都使用散熱片,所以一般會提供θja和θjc。

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通常θjc會遠遠低於θja,因此通過散熱片的熱阻可大幅降低θja。單體的θja(表中為TthJA)為40℃/W,比如使用10℃/W的散熱片即可將θja降至11.04℃/W*。另外,假設散熱片是無限大的散熱片時,可以認為θja=θjc。(* 僅僅是用於舉例的簡單計算。實際的θca需要考慮封裝表面與散熱片間結面的熱阻。另外,本來散熱片的熱阻是計算出Tj在額定值範圍內所需的值後再選擇的。)

最後,只要具備了計算所需的數值,計算就非常容易了。功耗需要在上一篇提到的平均功耗的基礎上,還要考慮到最差條件等因素。Ta基本上應為實測值。但是,測量Ta其實並不容易。測量時只要用熱電偶測量環境溫度即可,但是發熱體附近和距離發熱體遠的位置之間的溫度差別很大。另外,還有安裝在實際裝置的框體內,空冷風扇使空氣流動等情況,究竟以哪個條件下的環境溫度為Ta,實際上是相當難的問題。對此,近年來使用Tc求Tj的作法越來越多。

由Tc求Tj的方法

近年來,隨著熱成像和輻射溫度計等的普及,封裝表面的溫度測量已經比傳統相對容易。用於計算的Tc使用封裝表面最高的溫度,而利用熱成像可以一目了然地查看封裝表面的最高溫度,非常方便。

這個方法對於表面安裝型封裝是很有效的方法,但對於上圖中的TO-220型通孔插裝器件則需要採用稍微不同的方法。TO-220型的功率電晶體在實際使用時,幾乎都與散熱片一起使用,散熱片一般被設定在封裝的背面。所以如上圖所示,這種情況下的外殼(封裝)溫度(不是背面和表面,而是指θjc的c)是與散熱片之間的結面溫度。而且,由於與散熱片在一起,所以使用熱成像儀測量外殼溫度(與散熱片間的結面)並不現實。

作為替代方法,一種選擇是使用熱電偶。在散熱片上打孔,將熱電偶放在封裝背面來測量溫度。

另外,還可以根據散熱片的溫度來反向推算。在這種情況下,需要的不是散熱片的θca,而是散熱片本身的熱阻。亦或回歸根本,通過Ta來計算可能更簡單。重要的是準確獲得Tj。不管採用什麼方法都是帶有餘量的,所以需要考慮精度究竟要求到什麼程度。

接下來,請看由Tc計算的公式。根據前面提到的熱阻的關係,公式如下。

Tj=Tc+θjc×P

※ Tc:外殼(封裝)表面最高溫度(℃),θjc:結點與外殼表面間的熱阻(℃/W),
  P:功耗(W)

至此可以得出結論:只要Tj未超過最大額定值150℃,所選的電晶體就是合適的。但是在前面也提到過,基本上是需要散熱設計的,所以即使Tj超過了150℃,也可以通過降低熱阻來解決。

重點:

・最終需要確認Tj是否超過了絕對最大額定值。

・Ta或Tc與發熱量(熱阻×功耗)的和是Tj。


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