由于现代电路设计要求越来越高,电路设计工程师对每一个元器件的温度,功率都提出了新的要求,在这种情况下,结合测试工作,我们发现越来越多的二极管生产企业对产品的热电阻的测量
提出了要求。
二极管的热阻抗与普通意义上的电阻不同,它用来表示二极管在温度升高的条件下功率耗散的情况。从对企业的调查和了解可以发现,大多数企业对于这一参数并不是十分了解,专用的测量仪
器比较昂贵而且数量稀少,只有少数台资厂从台湾专门购置了设备用于该参数的测量,从而使得产品的参数在面对客户时有了更强的竞争力,这一点也促使其竞争对手对于二极管热电阻的测量有了
更强的需求。
通过对标准的研究可以发现,二极管热电阻的测量原理并不困难,本文结合安全实验室的现有设备,阐述了在目前情况下测量二极管热电阻的方法,经过与企业的仪器进行比对,测量精度,准
确度的误差在 3%以内,基本可以满足企业对该参数测量的需求。
参数定义
θ:二极管热电阻。它表示了二极管在当前的封装模式和散热条件下散发热量的能力,同时,它也给二极管运行的安全功率等级提供了参考。通常的商业用技术规格书中,会给出二极管的一般参数,但是对于电路设计人员来说,热电阻这个参数是必不可少的。二极管热电阻表示了功率耗散和温度间的关系,其计算公式为:
θ=(Tjunction-Texternal)/Pdiss (1),
其中,Tjunction 为结温,Texternal 为环境温度,Pdiss 为耗散功率。
测量方法
由公式(1)可以看出,对于热电阻的计算,有以下几个变量需要测量,一个是二极管的温度,其中又包括结温和环境温度;一个是二极管的耗散功率。对于二极管来说,Pdiss 即为二极管的电压以及对应的通过二极管的电流的乘积。而结温是指二极管的 PN 结的温度,由于工艺关系,成品的二极管都已经完成了封装,在不破坏二极管的条件下,这个参数对于我们来说难以直接测量,必须通过其他的间接方法进行。
经过试验可以发现,二极管的结温与其导通电压是呈线性关系的,其比值可以用 K 来表示。由于无法直接测量到二极管内部温度,在实际测试中,只能通过改变环境温度,用环境温度的变化来模拟结温的变化情况。试验中,将二极管置于高温箱中,进行较长时间(长于 1 小时)的预处理,使二极管的温度尽可能的与外界环境温度达到均衡,然后直接在高温箱内对其在不同温度下的导通电压进行测量。经过选取等多个温度点下对于导通电压的测量,可以得出结论,二极管的导通电压与与温度呈反比关系,如图 1 所示。
则表示结温与电压的参数 K 可以近似的表示为
K=|(V2-V1)/(T2-T1)| (2),应当注意,测量应尽可能的精确,以达到绘制出平滑的 K 值曲线的目的。
在绘制完成二极管的 K 参数后,就完成了电压与温度之间的比值的测量,接下来就可以对耗散功率进行测量。相关的测试电路示意图如图 2 所示。
如图所示, VF 是用来测量二极管工作时两端电压的仪器,IH 和 I M 表示测量所需要的两套恒流源,需要在测试前调试完成。其中, I M 为测量电流,其电流值的选取通常为二极管的一般工作电流,在试验中通常小于 0.5A, I H 为加热电流,一般而言,该电流大小可以有 0.75A,1.0A 等多种选择,由二极管的参数以及客户要求决定。在完成对两套恒流源的设置后,将其按照图 2 进行连接。
测量时,首先在二极管两端提供测量恒流 IM,并测量此时二极管两端的导通电压并记为 VFi;之后,迅速将恒流替换为加热恒流 IH,待电压稳定后,记录电压为 VH;第三步,将 IH 迅速替换为 IM,并记录电压 VFf。
试验过程中,大致的电流与电压的时序,幅度关系如图 3,图 4 所示。
经过测量,可以发现 VFi,VFf 并不是同一数值,这时由于经过 IH 的加热,结温在电流转换的一瞬间仍然保持着较高的水平,通过电压的变化,在根据已经绘制出的曲线,可以达到我们间接测量结温的目的。经过计算,可以得到电压的插值ΔVF。再将ΔVF代入公式(2),得出ΔT,将 VH 与 I H 相乘,即可得到 Pdiss 的值。
再将上述结果代入公式(1),即可得到二极管的热电阻。
四、测量误差
通过多次的试验以及与工厂专用测量仪器的比对,发现在以下的几个方面的测量对测量结果的有较大的影响。
1. K 曲线的绘制,这一步可以说直接关系到整个测量的准确性,为了提高正确率,在进行温度处理时,应将预处理时间延长,使二极管的温度与环境温度保持一致。另外,绘制曲线时对同一型号同一批次的二极管进行多次测量,对比 K 值,可以得到较满意的结果。
2. IH 和 I M 的使用,要尽可能保证 2 套恒流源之间的切换能够快速完成,尤其是 IH 向 I M 切换的过程中,时间越短,则结温的测量越准确。在试验中,选取一个单刀双掷开关就可以基本满足需求。
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