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功率半导体壳温的测试方法
2025-01-20 10:49:17

        功率模块的散热通路由芯片、DCB、铜基板、散热器和焊接层、导热脂层串联构成的。各层都有相应的热阻,这些热阻是串联的,总热阻等于各热阻之和,这是因为热量在传递过程中,需要依次克服每一个热阻,所以总热阻就是各热阻的累积。

       各芯片在导热通路上有多个导热层,在损耗和热仿真时,基本的仿真总是针对单个IGBT或单个二极管,所以需要知道的壳温是指芯片正下方的温度,散热器温度也是指芯片正下方的温度。

       具体测试方法为:

Tc:壳温是通过功率开关(芯片)下面穿透散热器以及热界面材料的小孔测量到的管壳温度Tc

Ts(Th):散热器温度是通过止于散热器表面下方2mm±1mm(型式试验特征,应予规定)的规定的盲孔测量。

Tsx:散热器温度也可以取自距功率开关(芯片)最近的最热可触及点。

       为了测量Tc打了穿透散热器以及热界面材料的小孔,插入传感器会影响模块壳到散热器的热传递,好在有基板的模块,热会在基板上横向传导扩散,孔和探头对测量误差可以控制在5%水平。

       对于没有基板的模块,热的横向传导非常有限,热传递的有效面积与芯片尺寸相当,打孔测壳温对模块散热影响就比较大,测量改变了工况,这样的测量不宜提倡。热阻抗的参考温度为Ts(Th)而不再用TC,就是说直接定义RthJH

模块壳温的工程测量方法:

       在芯片底部测壳温是型式试验方法,用于功率平台开发,而实际应用中,功率模块会自带NTC,负温度系数热敏电阻作为测温元件。

       NTC安装在硅芯片的附近,以得到一个比较紧密的热耦合。根据模块的不同,NTC或者与硅芯片安装在同一块DCB上,或者安装在单独的基片上。NTC测量值需要按照经验进行修正,或进行散热定标。

经验法:

       NTC可用于稳态过热保护,其时间常数大约是2秒。瞬态热阻曲线上可以读到芯片的热时间常数,0.2秒左右,但是整个散热系统的时间常数却非常大,譬如在20秒左右,因此NTC可以检测较缓慢温度变化和缓慢过载情况,对短时结温过热保护是无能为力的,更不能用于短路保护。

       由经验可知,对于电力电子设备,散热器的温度和NTC的温度的差值约等于10K的温度左右。这方法仅用于估算,建议用下面的定标法和热仿真得到更精确的数值。

定标法:

       对于结构设计完成的功率系统,我们可以测得芯片表面温度和在特定的散热条件下的Tvj~TNTC曲线,这曲线可以很好帮助你利用NTC在稳态条件下来监测芯片温度。

       芯片的温度用红外热成像仪测量,壳温用热电偶在芯片下方测量。NTC电阻值通过数据采集器记录,并且根据IGBT模块的NTC阻值-温度曲线将电阻值转换成对应的温度值。

 

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