淺析晶閘管通態電壓與結溫的關系

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電壓來表征，為運行功率晶閘管的狀態檢測提供參考。

關鍵詞：功率晶閘管；結溫；通態壓降；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。作為系統的核心部件之一的晶閘管的運行狀態直接關系到系統能否正常運作。我們通過理論和實際研究，發現晶閘管的電氣性能和結溫有著密切的聯系，我們通過研究晶閘管在不同工作狀態下的結溫就有助于優化和改善晶閘管的性能，進而為保證系統的正常運行提供依據。

一、當前結溫測試現狀

晶閘管在觸發導通后，正向電流會在PN結中產生熱量，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來反應結溫的方法。

二、功率晶閘管熱敏性

晶閘管內部有三個PN結，PN結很多參數都對溫度十分敏感，溫度的變化會讓特性也發生變化，所以我們就構思一種PN結參數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]為通態電壓，k為泊爾茨曼常數，1.3806505×[10-23J/K]，q為電子的電荷數，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，[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結的通態壓降、正向電流和結溫的關系，當[If]為恒流時，通態壓降只與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，在圖像中高溫區和低溫區，[ Unl]隨著T的變化而變化，且呈現非線性變化，但是到了中溫區T與[Unl]的關系呈現線性關系。

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導通，又需要減少自身導致的附加發熱。當[If]=20A，我們認為功率晶閘管芯片已經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功率晶閘管，測量在恒定20A的電流下，此晶閘管的通態壓降[Uf]，并將獲取的通態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壓降可以計算出在此狀態下的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壓降并取的結溫創造了前提。

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