脉冲功率器件RSD热阻的计算与研究＊

尚 超

（潍坊学院，山东 潍坊 261061）

发热及温度分布的均匀性，对半导体功率器件参数的稳定性、品质的可靠性以及器件、整片集成电路乃至整机和系统的寿命都有不可忽视甚至是决定性的影响［1－3］。热阻是半导体器件的重要技术指标和特性，是器件热特性的特征参数，它与器件的电特性和机械特性密切相关，与器件的额定电流、压降和最高结温等基本参数有定量关系。热阻是分析器件质量和应用等诸多计算不可或缺的参数［4］。

20世纪80年代末，前苏联阿·法·约物理科学研究院的格列霍夫等人提出了一种新型功率器件—反向开关晶体管（RSD，ReverselySwitchedDynistor）。它具有通流能力强、di／dt高、寿命长、成本低、损耗小、易于串、并联使用等一系列优点，因而有着广泛的应用前景［5］。

RSD是一种新型半导体器件，其结构不同于常规的功率器件（如晶闸管、IGBT等），故有其特殊的工作原理［6］。目前还没有关于RSD热阻计算的报道。本文基于RSD特殊的工作方式，提出一种计算其热阻的方法，设计并搭建了一定的辅助电路，计算得到了一定规格RSD的热阻值。

1 RSD的热阻网络模型

图1所示为RSD的基本结构及工作原理图。RSD是由数万只非对称排列的pnpn晶闸管和npn晶体管多单元并联组成的二端结构，其正向如晶闸管断态，可承受数千伏的阻断电压。RSD的导通过程分反向预充和正向导通，这两个过程靠磁开关隔离。当施一脉宽1～2μs，幅值1.5～2kA的反向预充电流后，RSD可以纳秒级速度开通数十至数百千安的大电流。主电路和预充回路之间的磁开关除了隔离主电压外，还可以提高开关的开通速度。RSD工作过程的详细解释参见文献［5］。

根据文献［7］，本文对RSD热阻网络模型的推导过程作简要赘述。假定热稳定后RSD管壳的温度保持不变，热量沿热路x＝L并垂直于材料的横截面积S流动，可由以下热流偏微分方程解析这种一维散热系统：

该方程的边界条件为：

式中，K为热导率，ρ为材料密度，c为材料比热，Pd（t）为半导体结的耗散功率，Tc为器件管壳温度。现用常量h把（1）式离散化：

式中，h＝L／n，取适当的n值会得到较高的精度。令R＝h／KS，C＝hρcS，（2）式可改写成：

（3）式确定了RSD热流系统的电热模拟关系，ΔT对应于电压，Pd对应于电流。图2为RSD热流系统的模拟电路示意图。图中R为热阻，C为热容。当RSD结产生的热量等于传导走的热量时，器件就达到一种热稳定状态，在稳态散热过程，可以忽略热容的影响，这时电路可简化为纯阻性，其热冷端产生的温差为：

由此得RSD的热阻网络模型为：

式中，Tj、Tc分别为RSD器件的结温和壳温，Pd是附加于器件上的功率。

2 RSD热阻测量原理

器件热阻包括结到管壳基准点的热阻、结到散热器基准点的热阻、结到环境规定点的热阻等。本文认为RSD的热阻由管芯热阻、管芯管座接触热阻和管壳热阻三部分组成。基于此，计算过程做以下假设：（1）电流持续时允许热量从管芯向其周围边界层扩散；（2）测量壳温时，认为其温度分布是均匀的；（3）忽略温度引起的硅器件传导率和比热的变化；（4）仅考虑由电流传导引起的功率损耗。

2.1 确定RSD热敏参数（TSP）的电压温度方程

根据半导体物理的理论，理想PN结的正向电流IF和正向电压VF存在如下近似关系式：

式中，q为电子电量，T为热力学温度，In为反向饱和电流，它是一个和PN结材料禁带宽度以及温度有关的系数。可以证明（忽略过程）：

式中，C是与PN结的结面积、掺杂浓度等有关的常数，k为玻尔兹曼常数，r在一定范围内也为常数，Vg（0）是热力学温度为0K时PN结材料的导带底与价带顶的电势差，对于给定的PN结材料，Vg（0）是一个定值。将（7）式带入（6）式，两边取对数，整理后得：

其中：

（8）式是PN结正向压降作为电流和温度的函数表达式，它是PN结温度传感器的基本方程。实际情况下，VF与温度成线性比例的部分V1对它的影响远大于非线性部分Vnr，故可以认为在一定温度范围内，VF与温度成线性比例关系。

通过测量不同温度下的RSD反向导通压降，代入（9）式可以得到RSD的相关热敏方程。

2.2 器件热阻的估算

给RSD施加反向电压，使其反向以准二极管模式导通，调节负载，使反向流过RSD的电流达到一定值，并保持一定的时间，使器件达到热稳定状态，用红外测温仪测得器件表面温度Tc，同时测得该温度下器件两端压降，结合热敏方程，计算此时器件结温Tj，将各参数带入（5）式，可得到器件的热阻值。

多次重复上述过程，得到多个热阻值，取其平均值作为RSD的等效热阻值。

3 实验结果及分析

实验用RSD为单片管芯封装，直径16mm，耐压1.5kV。将RSD放在加热炉内加热足够长时间，使结温达到预设温度，给器件通短时（以免因电流热效应影响测量精度）、大小为32A的电流，测其两端的电压降，数据记录如表1。

图3 估算器件结温电路原理图

表1 32A电流下器件的温度和压降

由表1可知，电流一定时，器件两端压降随温度升高而降低，当温度从30℃增至100℃时，器件反向压降从2.107V下降到1.831V，下降约0.276V。

（9）式可改写为：VF＝A－BTj，将表1中的数据（温度单位为开氏）带入该式解得：A＝2.801，B＝0.0026。带入得到RSD的热敏温度方程：

图3所示电路中的调压器为浙江正泰电器股份有限公司生产，型号为TDGC2－10，输出容量为10kVA，输出电流为0～250A。电感L为9.4mH。C是容量为3300μF的电解电容。直流负载箱为艾普斯电源（苏州）有限公司生产，其额定电压为30VDC，额定电流为400ADC。

待器件结温冷却至室温后，按图3所示搭建电路。给RSD通32A的反向电流，并持续一定时间，待器件达到热平衡，用高精度数字万用表测器件两端电压降，同时用红外测温仪测器件壳温，进行多次测量，数据记录如表2。

由表2中的数据，结合方程（11），计算此时RSD的结温为104.3℃，附加于器件上的功率P＝32A×1.82V＝58.24W，由公式（2）得：

结果表明RSD器件的热阻值较小，其较小的热阻可使RSD在工作过程中产生的热量及时传导出去，保证RSD应用于重频脉冲功率领域而不至于因热效应损坏。

表2 RSD的反向压降随结温变化关系

4 重复频率下RSD结温的估算

为了估算重复频率工作时RSD的结温，设计并搭建了基于四倍压充电的RSD重频工作电路，结构图见图4。此处忽略其工作过程的详细说明。经实验及仿真优化，最终确定电路参数：主电容C1为3μF，预充电容C2为0.22μF，负载RL为0.6Ω，耗能电阻R2为0.24Ω，电感L1为2μH。利用上述电路参数，在1.2kV主电压下得到了RSD的重复开通特性，见图5。预充采用谐振式。RSD连续工作时间为20s（保证器件达到热平衡）。

实验结束后，用红外测温仪测得RSD的管壳温度为58.4℃，对电压电流波形积分得到RSD消耗的功率为8W。由图5的波形可见，RSD工作电压基本稳定在1.2kV，随着时间延长，电压有轻微下降，这是因为电容充电速度不够快，与脉冲形成速度不匹配。

图4 RSD重复频率电路结构

图5 500Hz下的RSD开通电压特性

把计算得到的热阻值和实验所得数据代入式（5），可以得到器件在1.2kV主电压下，以500Hz频率工作20s时的结温为60.8℃。这些结果表明RSD工作在重频条件下，其结温不会上升太高。因此，RSD是理想的脉冲功率开关，工作频率可大幅提高。

5 结论

本文利用热阻网络模型，根据RSD器件特殊的工作原理，提出了一种估算RSD热阻的方法，辅以简单的电路，计算得到了Φ16RSD的热阻值为0.3℃／W。RSD较小的热阻值使器件在工作中积累的热量能够及时散出，保证器件不会发生热失效。在1.2kV主电压下，得到了RSD工作在500Hz频率下的波形，并计算出连续工作20s后的结温为60.8℃。实验结果显示，RSD器件可以连续工作于重复频率脉冲功率领域。

［1］Musallam M，Acarnley P P，Johnson M，etal.Real－time power electronic device junction temperature estimation［J］.The Institution of Electrical Engineers，2004，（1）：231－235.

［2］Musallam M，Acarnley P P，Johnson C M，etal.Open loop real－time power electronic device junction temperature estimation［C］／／IEEE Symposium on Industrial Electronics，2004，2：1041－1046.

［3］Li J H，Jia Y，Kang R，etal.Study of transistor steady－state operation life test by method of controllable junction temperature［J］.Journal of University of Aeronautics and Astronautics，2005，31（6）：696－699.

［4］秦贤满.热阻的概念和测试方法［J］.半导体技术，1996，（3）：32－36，50.

［5］Grekhov I V.New principles of high power switching with semiconductor devices［J］.Solide－State Electronics，1989，32（11）：923－930.

［6］余岳辉，梁琳，李谋涛，等.超高速半导体开关RSD的开通机理与大电流特性研究［J］.电工技术学报，2005，20（2）：36－40.

［7］李皎明，余岳辉，白铁城，等.晶闸管的瞬态热阻抗及其结温温升的研究［J］.半导体学报，2001，38（2）：52－55.