传感及控制-一种基于管壳表面温度计算结温的方法.pdfVIP

一种基于管壳表面温度计算结温的方法 Wolfgang Frank, Peter Turkes 英飞凌科技股份公司 Am Campeon 1-12 85579 Neubiberg Germany wolfgang.frank@ 摘要： 图 1 表示了一种封装的剖面图和每个 本文说明了影响分立IGBT 和二极管的 部分相应的温度。 结和管壳表面 （MC）之间温差的一些常见 因素。这个温差是以底板背面的温度为参考 点，并受到一些相关参数的影响。这些参数 包括封装类型（TO220，TO220 full-pak 和 TO247 ）和芯片面积。本文最终给出了一套 完整的方法来计算结温。利用本文的结论， 设计工程师将能够准确而轻松地计算出器 件的近似结温。 1．简介 功率晶体管和二极管的最高结温是器 件的一个重要指标。一种常用的估算结温的 图1：封装的剖面图 方法是测量管壳表面 （MC）的温度。许多 工程师估计测量点与结温之间的温差大约 本文所讲的封装是底板和包括管脚在 在5K-10K 左右。这一方法很不精确，因为 内的管壳的总体结构。环境温度指的是参考 它没有考虑诸如芯片面积或封装形式等重 温度。在真实系统中可以是散热器温度。管 壳温度T 特指底板上最热点的温度。如图1 要因素。但是由于管壳表面的温度容易获 c 得，因此这一方法十分流行。其它一些测量 所示，这一位置通常位于芯片正下方底板和 管壳温度的方法，例如测量底板或管脚上的 绝缘层之间。管壳表面的温度TMC 是指管壳 温度，通常不是难以实现就是不可靠。众所 表面的相应的最热点的温度。 周知，要想在应用中对结温进行在线测量是 十分复杂的。因此对可能的测量方法进行仔 细分析，并设计出一套可靠的基于器件的管 壳表面温度和器件功耗来计算结温的方法 是很重要的。 管壳表面温度与功耗的关系 为了计算器件的温度分布情况，采用了 有限元仿真软件 ANSYS 。根据相应的封装 和安装形式建立了器件的3D 模型。仿真中 的边 图2 ：仿真得到的SKW25N120 芯片表面的温度分 界条件如下： 布（焊接厚度为100µm） 1）管壳表面是非等温的 2 ）底板是非等温的 3 ）周围环境（即散热器）是等温的 图3 和图 2 显示了在相同的给定的工作点 （P = 350 W ）下，芯片和管壳表面温差达 D 到30K。在几个不同的功耗点下重复以上仿 真就得到了图4 。材料特性不随温度变化的 特性使得温度增量与功耗呈线性关系。这里 给出的相对于底板的温度增量 ?Tc 达到了 200K，覆盖英飞凌IGBT 和二极管的整个工 作温度范围（从-40℃到150℃或175℃）。 通过将系统中所允许