CN108414909B - 一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法 - Google Patents

一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，步骤如下：一：选定达林顿管，选择温度敏感电参数，即PN结正向压降，并确定温度敏感电参数的测试条件；二：查看器件手册中电参数信息，设计测量电路与工作电路；三：温度系数M的计算；四：器件稳态条件的到达及数据记录；五：结温测量试验；六：结温误差修正处理；七：器件热阻计算；通过以上步骤，能利用电学法以及误差处理的方法，计算出达林顿管的稳态热阻；为器件使用人员提供达林顿管稳态热阻精确获得方法，为器件的使用过程能提供精准热性能参数，避免超过器件最大结温使用。

Description

一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法
(一)技术领域：
本发明提供一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，它涉及一种电子元器件的热阻测量方法。它主要针对器件使用时准确热阻值的使用需求，对器件的稳态热阻测量设计了一种方法以及数据处理方式，属于电子元器件性能参数测量领域。
(二)背景技术
热阻是功率器件的一项重要热学特性参数，影响着结温的高低，同时也用于确定器件结温以及功率器件的安全工作温度范围。稳态热阻是指在施加恒定功率后，结温TJ与壳温TC均达到稳定状态下所测得的热阻。达林顿管作为常用的一种功率器件，在实际中有大量使用。每只器件热阻值由于工艺问题有一定偏差，由产品手册无法获得精确热阻值。
达林顿管瞬态热阻测量方法国内外均有所涉及，但是由于瞬态热阻是一种不稳定状态下的测试结果，热敏感参数变化过小，对于测试仪器精度要求高，因此很难取得准确结果。而稳态热阻测试条件接近于器件实际工作状态，良好反应出器件工作状态下的热性能参数，因此其应更加准确的给出，具有工程应用意义。
电学法测温是利用温度敏感电参数(即TSEP)进行测量某些温度。器件在通电的情况下，其某些电学参数与温度有着密切的关系，能通过测量电学量来间接获得温度值。这种方法对于器件没有外在损伤，而且方便快捷，适用于器件的稳态温度以及瞬态温度的测量，同时不需要特定的温度测量仪。利用温度敏感电参数是测量温度的一种常用方法。
随着器件愈来愈走向小型化，集成度也越来越提高，利用传统温度测量仪器获得温度变得更加困难，精确热阻值的测量也变得更加重要。本文提出一种利用电学法测量达林顿管稳态热阻的方法，能较为准确的反应器件在实际使用时的稳态热阻值，且测量便捷易操作，为器件的使用过程能提供精准热性能参数。
(三)发明内容：
1.目的：
本发明的目的是提供一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，它是以电学法测温为基础，设计测量电路，结合实际试验，进行数据处理，实现达林顿管稳态热阻的测量，为器件的使用提供准确热性能参数。
2.技术方案：
本发明提出一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，它包括以下步骤：
步骤一：选定达林顿管，选择温度敏感电参数，即PN结正向压降，并确定温度敏感电参数的测试条件；
步骤二：查看器件手册中电参数信息，设计测量电路与工作电路，两个电路主要明确器件各管脚施加电应力，并能通过开关瞬间切换；测量电路是由于温度敏感电参数的测量，不能在器件正常工作状态下进行(电压电流限制)，而采取的折中处理方式；工作电路即是器件正常工作状态下所施加的电应力条件，在此电路情况下器件温度升高，最终达到器件稳态条件；
步骤三：温度系数M的计算；在高温箱中步进升温，以10摄氏度为一记录节点，利用步骤二的测量电路，测量不同温度下温度敏感电参数的电压值；再通过温度～电压拟合，得到器件对应的温度系数M；
步骤四：器件稳态条件的到达及数据记录；室温状态下，关闭测量电路，打开工作电路，待器件壳温处于稳态，记录壳温TC、集电极电流IC、发射极电流IE、集电极至基极电压VCB和基极至发射极电压VBE；(由记录的电压电流数据能计算得到耗散功率P)；
步骤五：结温测量试验；紧接步骤四，断开工作电路开关，打开测量电路开关，调节电压、电流符合测试条件，记录温度敏感电参数的电压值以及断开加热电路至调节好到测试条件所用时间td；结温计算公式如下：
式中：
TJ为测试点结温，单位℃；
V2为测试点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
TJ1为参考点结温，单位℃；
V1为参考点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
步骤六：结温误差修正处理；由于电学法测量结温，器件电应力状态不能瞬间转换，测量电路下器件并不再发热，被测量结温实际上处于逐渐减小的过程，因此时间间隔td所带来的误差，需考虑；
结温误差修正处理的具体步骤如下：
1、△V(td)～td 1/2冷却模型；在断开加热电路后，结温与延时时间td 1/2成线性关系；记步骤五公式中V2-V1为△V(td),则△V(td)与td 1/2也成线性关系；器件从工作状态到测量状态转换时，记录器件温度敏感电参数的电压值以及延迟时间td，根据试验数据，做出器件△V(td)～td 1/2散点图，并进行拟合，利用△V(td)与td 1/2的线性关系，外推 td＝0s时刻的△V(td＝0)；
2、结温测量误差归一化处理；对每一只器件进行试验，根据拟合结果外推ΔV(td＝0s) 是一个很复杂，无法大量应用的方法；因此用得到的ΔV(td＝0)外推值，计算采用最小二乘法拟合td 1/2曲线，进行归一化处理，得到延迟时间的误差修正系数 k(td)：
k(td)＝k×td 1/2+1
式中：
k(td)为延迟时间的误差修正系数；
k为拟合曲线斜率；
td为延迟时间，单位s；
由误差修正系数k(td)计算，即能得出修正后的ΔV(td＝0)：
式中：
△V(td＝0)为td＝0s时刻的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
k(td)为延迟时间的误差修正系数；
△V(td)为实测未修正的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
步骤七：器件热阻计算；通过以上步骤获得各项数据，修正后的结温计算公式为：
式中：
TJ为测试点结温，单位℃；
△V(td＝0)为td＝0s时刻的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
TJ1为参考点结温，单位℃；
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
热阻计算公式为：
RJ-C＝(TJ-TC)/P
式中：
RJ-C为器件稳态热阻值，单位℃/W；
TJ为测试点结温，单位℃；
TC为测试点壳温，单位℃；
P为器件耗散功率，单位W；
其中，在步骤一中述的“达林顿管”，是指两个三极管串联，以组成一只等效的新的三极管，一般加有均衡电阻及阻尼二极管，常用于功率放大器和稳压电源中；
其中，在步骤一中述的“确定温度敏感电参数的测试条件”，是指在恒定小电流条件下； GJB128A-97中指出，恒定小电流条件一般应为1mA(对小功率器件)和小于等于100mA(对大功率器件)；
其中，在步骤三中所述的“器件对应的温度系数M”，是指用步进升温的方式获得多项数据，再进行最小二乘法拟合温度～电压图所得到的斜率；而不是利用某一点测量得到的温度与电压值，与理论上绝对零度时电压值，两点连线通过以下公式直接计算温度系数M；
式中：
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
TJ为测试点结温，单位℃；
V为测试点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
-273.15为绝对零度数值，单位℃；
1267为绝对零度时，理论上温度敏感电参数的电压值，单位mV。
其中，在步骤四中所述的“关闭测量电路，打开工作电路”，是利用电路设计中的手动开关进行瞬间切换；
其中，在步骤五中所述的“调节电压、电流符合测试条件”，是利用微调电压，使电流达到恒定的10mV；
通过以上步骤，能利用电学法以及误差处理的方法，计算出达林顿管的稳态热阻；为器件使用人员提供达林顿管稳态热阻精确获得方法，为器件的使用过程能提供精准热性能参数，避免超过器件最大结温使用。
3.优点及功效：
本发明提出一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，该发明的优点是：
1)温度系数M的测量利用高温箱，步进温度测量多点数据，进行线性拟合。避免了单点测量可能带来的误差；
2)针对△V～td 1/2冷却模型进行试验，并对误差进行归一化处理，得到通用的误差处理方法；
本发明所提供达林顿管稳态热阻测量方法，能很好的减小测量误差，为提供器件较为准确的稳态热阻提供依据。
(四)附图说明：
图1 本发明所述方法流程图。
图2 BDW47G结构图。
图3 达林顿管温度系数M拟合图。
图4 3#～6#器件△VCE～td 1/2散点图。
图5 3#～6#器件归一化曲线。
图中符号代号说明如下：
PNP是达林顿管类型
BDW47G是达林顿管具体型号
COLLECTOR是达林顿管集电极
BASE是达林顿管基极
EMTTER是达林顿管发射极
8.0k、60均为电阻阻值
VCE是温度敏感电参数的电压值
td是断开加热电路至调节好电压电流所用时间
(五)具体实施方式：
本发明所描述的测量方法以BDW47G为例进行测试。结合具体的实际案例，对本发明所述的一种利用电学法测量达林顿管稳态热阻的方法进行详细说明。
本发明提出一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，其流程图如图1所示，具体实施步骤如下：
步骤一：选定达林顿管BDW47G，选取其中PN结作为测量对象，如图2标号1所示位置，采集其正向压降作为温度敏感电参数，符号记为VCE。确定温度敏感电参数的测试条件为恒定小电流10mA；
步骤二：查看器件手册中电参数信息，设计测量电路与工作电路。测试电路为：基极B 施加3.5V电压，集电极C施加0.7V电压，发射极E接电源负极，控制集电极电流IC等于10mA，此时能认为器件无散热。工作电路为：发射极E施加6V电压，基极B施加5V电压，集电极C接电源负极，此时电路实现达林顿管放大电流的作用。两个电路之间用开关实现切换；
步骤三：温度系数M的计算。将达林顿管BDW47G放入高温箱中步进升温，接入热电偶测量器件壳温(此时器件无散热，壳温与结温相等)，接出导线连入测量电路。以10摄氏度为一记录节点，测量不同温度下温度敏感电参数的电压值VCE，通过温度～电压拟合，如图3所示，拟合得到器件对应的温度系数，1#与2#器件试验取平均值得M＝-1.8358mV/℃；
步骤四：器件稳态条件的到达及数据记录。室温状态下，关闭测量电路，打开工作电路，待器件壳温处于稳态，记录壳温TC、集电极电流IC、发射极电流IE、集电极至基极电压VCB和基极至发射极电压VBE。由电压电流数据计算耗散功率P：
P＝IC×VCB+IE×VBE
式中：
P为器件耗散功率，单位W；
IC为集电极电流，单位A；
IE为发射极电流，单位A；
VCB为集电极至基极电压，单位V；
VBE为基极至发射极电压，单位V；
步骤五：结温测量试验。紧接步骤四，断开工作电路开关，打开测量电路开关，调节集电极电流IC等于10mA，记录温度敏感电参数的电压VCE值以及断开加热电路至调节好电压电流所用时间td；
步骤六：结温误差修正处理。结温计算公式如下：
式中：
TJ为测试点结温，单位℃；
VCE2为测试点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
TJ1为参考点结温，单位℃；
VCE1为参考点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
通过室温下的试验，选取VCE1＝722.075mV，TJ1＝24℃
结温误差修正处理的具体步骤如下：
1、△VCE(td)～td 1/2冷却模型。记步骤五公式中VCE2-VCE1为△VCE(td)。器件从工作状态到测量状态转换时，记录器件温度敏感电参数的电压值以及对应的延迟时间 td，如表1所示。根据四组试验数据，做出器件△VCE(td)～td 1/2散点图，并进行拟合，如图 4所示。利用△VCE(td)与td 1/2的线性关系，外推td＝0s时刻的△VCE(td＝0)，如表2所示；
表1 3#～6#器件试验数据表
表2 3#～6#器件拟合结果表
2、结温测量误差归一化处理。利用△VCE(td＝0)外推值，计算采用最小二乘法拟合td 1/2曲线，如图5所示。进行归一化处理，得到延迟时间的误差修正系数k(td)。
k(td)＝k×td 1/2+1＝-0.0936×td 1/2+1
式中：
k(td)为延迟时间的误差修正系数；
k为拟合曲线斜率；
td为延迟时间，单位s；
由误差修正系数k(td)计算，即能得出修正后的△VCE(td＝0)：
式中：
△V(td＝0)为td＝0s时刻的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
k(td)为延迟时间的误差修正系数；
△V(td)为实测未修正的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
步骤七：器件热阻计算。通过以上步骤获得各项数据，修正后的结温计算公式为：
式中：
TJ为测试点结温，单位℃；
△VCE(td＝0)为步骤六td＝0s时刻的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
TJ1为参考点结温,取值24，单位℃；
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
热阻计算公式为：
RJ-C＝(TJ-TC)/P
式中：
RJ-C为器件稳态热阻值，单位℃/W；
TJ为步骤七修正后测试点结温，单位℃；
TC为步骤四测试点壳温，单位℃；
P为步骤四计算得到的器件耗散功率，单位W；
通过对10只器件试验，过程中记录数据如表3所示：
表3 7#～16#器件试验结果表
由表3中的实验数据，计算耗散功率P、误差修正系数k(td)、ΔVCE(td＝0)、结温TJ与热阻RJ-C，结果如下：
表3 7#～16#器件试验结果表

Claims (3)

1.一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：选定达林顿管，选择温度敏感电参数，即PN结正向压降，并确定温度敏感电参数的测试条件；
步骤二：查看器件手册中电参数信息，设计测量电路与工作电路，两个电路主要明确器件各管脚施加电应力，并能通过开关瞬间切换；测量电路是由于温度敏感电参数的测量，不能在器件正常工作状态下进行，而采取的折中处理方式；工作电路即是器件正常工作状态下所施加的电应力条件，在此电路情况下器件温度升高，最终达到器件稳态条件；
步骤三：温度系数M的计算；在高温箱中步进升温，以10摄氏度为一记录节点，利用步骤二的测量电路，测量不同温度下温度敏感电参数的电压值；再通过温度～电压拟合，得到器件对应的温度系数M；
步骤四：器件稳态条件的到达及数据记录；室温状态下，关闭测量电路，打开工作电路，待器件壳温处于稳态，记录壳温TC、集电极电流IC、发射极电流IE、集电极至基极电压VCB和基极至发射极电压VBE；由记录的电压电流数据能计算得到耗散功率P；
步骤五：结温测量试验；紧接步骤四，断开工作电路开关，打开测量电路开关，调节电压、电流符合测试条件，记录温度敏感电参数的电压值以及断开加热电路至调节好到测试条件所用时间td；结温计算公式如下：
式中：
TJ为测试点结温，单位℃；
V2为测试点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
TJ1为参考点结温，单位℃；
V1为参考点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
步骤六：结温误差修正处理；由于电学法测量结温，器件电应力状态不能瞬间转换，测量电路下器件并不再发热，被测量结温实际上处于逐渐减小的过程，因此时间间隔td所带来的误差，需考虑；
结温误差修正处理的具体步骤如下：
1、△V(td)～td 1/2冷却模型；在断开加热电路后，结温与延时时间td 1/2成线性关系；记步骤五公式中V2-V1为△V(td),则△V(td)与td 1/2也成线性关系；器件从工作状态到测量状态转换时，记录器件温度敏感电参数的电压值以及延迟时间td，根据试验数据，做出器件△V(td)～td 1/2散点图，并进行拟合，利用△V(td)与td 1/2的线性关系，外推td＝0s时刻的△V(td＝0)；
2、结温测量误差归一化处理；对每一只器件进行试验，根据拟合结果外推ΔV(td＝0s)是一个很复杂，无法大量应用的方法；因此用得到的ΔV(td＝0)外推值，计算采用最小二乘法拟合曲线，进行归一化处理，得到延迟时间的误差修正系数k(td)：
k(td)＝k×td 1/2+1
式中：
k(td)为延迟时间的误差修正系数；
k为拟合曲线斜率；
td为延迟时间，单位s；
由误差修正系数k(td)计算，即能得出修正后的ΔV(td＝0)：
式中：
△V(td＝0)为td＝0s时刻的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
k(td)为延迟时间的误差修正系数；
△V(td)为实测未修正的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
步骤七：器件热阻计算；通过以上步骤获得各项数据，修正后的结温计算公式为：
式中：
TJ为测试点结温，单位℃；
△V(td＝0)为td＝0s时刻的温度敏感电参数的电压值，单位mV；
TJ1为参考点结温，单位℃；
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
热阻计算公式为：
RJ-C＝(TJ-TC)/P
式中：
RJ-C为器件稳态热阻值，单位℃/W；
TJ为测试点结温，单位℃；
TC为测试点壳温，单位℃；
P为器件耗散功率，单位W；
通过以上步骤，能利用电学法以及误差处理的方法，计算出达林顿管的稳态热阻。
2.根据权利要求1所述的一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，其特征在于：在步骤三中所述的“器件对应的温度系数M”，是指用步进升温的方式获得多项数据，再进行最小二乘法拟合温度～电压图所得到的斜率；
式中：
M为步骤三中所计算得到的温度系数，单位mV/℃；
TJ为测试点结温，单位℃；
V为测试点温度敏感电参数的电压值，单位mV；
-273.15为绝对零度数值，单位℃；
1267为绝对零度时，理论上温度敏感电参数的电压值，单位mV。
3.根据权利要求1所述的一种基于电学法的达林顿管稳态热阻测量方法，其特征在于：在步骤五中所述的“调节电压、电流符合测试条件”，是利用微调电压，使电流达到恒定的10mV。
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