晶体管稳态热阻的测量

晶体管稳态热阻的测量

晶体管热阻是表征晶体管散热能力的一个基本参量，该参量对于大功率晶体管的设计、制造和使用尤为重要。

晶体管热阻的测量主要有热敏参数法和红外扫描法，其中热敏参数法是非破坏性测量晶体管热阻的基本方法，测量的是平均热阻。对应于稳态情况下测量的是稳态热阻，在非稳态情况下测量的是顺态热阻。红外扫描法测量的是峰值热阻。

本实验采用QR2型大功率晶体管热阻测试仪测量晶体管的稳态热阻。实验目的是熟悉用集电结正向压降作为热敏参数测量结温的原理，掌握用QR2型热阻测试仪测量晶体管稳态热阻的方法及误差分析。

一、 实验原理

如果给晶体管发射结施加征象偏压BE V ，给集电结施加反向偏压，CB V 使晶体管正常工作，那么电源在晶体管总的耗散功率为：

C BE E C V

I V I P += (1)

由于电流的热效应，耗散功率要转化为热，引起pn 结温度（以下简称结温）升高。一般情况下，集电结偏压CB V 比发射结偏压BE V

大的多，对于设计良好的晶体管，C E I I =，因而集电结耗散功率比发射结大的多，集电结温度最高，成为晶体管的热源。

因为一般管心面积很小，热传导成为晶体管散热的主要途径。当管芯集电结耗散功率所产生的热量和单位时间散发的热量相等时，达到了热稳定状态，可以用下式表示：

th

A J C R T T P /)(-= (2)

式中th R 就是描述晶体管散热能力大小的参量，称之为晶体管热阻。将上式改写为：

C A J th P T T R /)(-= (3)

这就是热阻的定义，即单位耗散功率引起结温升高的度数，其单位为℃/W 。以上二式中J T 为集电结温度，A T 为环境温度。

由热阻的定义可以看出，只要给被测管施加一定功率，在热稳定情况下测出晶体管的耗散功率，并测出此耗散功率下的集电结温度和环境温度就可以用公式（3）计算出晶体管的热阻。晶体管耗散功率和环境温度的测量都比较简单。关键是集电结温度J T 的测量。 ⒈ 结温J T 的测量

在实际工作中，常采用热敏参数法来测量结温J T 。

Pn 结正向电流、反向电流、正向压降都是热敏参数，其中硅pn 结反向电流随温度的相对变化率决定于反向产生电流随温度的变化率，其结果是：

)3

(2112

KT

E T dT dI I go R

R

+= (4)

式中0E 为绝对零时的禁带宽度。

Pn 结正向电流和正向压降随温度的相对变化率分别为

2

31kT E qV T

dT

dI I g A F F V A

+-+

=

?

(5)

qT

E T

V q

k T

V go A I A F

-

+-=

???

3 (6)

式中A V 为外加电压。其中结电压随温度的变化率约为-2mV/C,不仅容易测量，而且在一定的温度范围呈线形变化，因此常被选为测量J T 的热敏参数。

给晶体管施加一定功率可以引起结温升高，不给晶体管施加功率，只把它

放在恒温槽中加热，也会引起结温升高。在恒定的正向电流作用下，一定的结温必然和一定的正向压降相对应。在恒温槽温度达到稳定时，可以认为测试筒内的温度是均匀一致的，这时集电结温度就是晶体管温度，也就是测量筒内温度。因而用普通温度计就可以进行测量。 ⒉ 环境温度A T 的测量

环境温度用普通温度计就可以进行测量。但是，大功率晶体管热阻的测量，并不是测量环境温度而是测量管壳温度。

由热传导的途径，可以把一般晶体管的热阻分为两部分，即：

)()(jc th ca th th R R R +=

(7)

式中)(ca th R 是热流由管子底座向周围空气或其他介质散热的热阻，

)(jc th R 是热流由集电结至晶体管底座的热阻。

在实际大功率晶体管的使用中，为了改善其散热性能，降低工作温度，提高输出功率，通常都在管壳外面附加良好的散热器，使外热阻大大减小。如果管壳和散热器接触良好，散热器面积足够大，可以认为晶体管热阻即由内热阻决定。因此大功率晶体管热阻的测量，是以管壳温度代替环境温度。一般用热电偶温度计，把温度计的触点放在管壳散热器中心位置进行测量。

图1 晶体管的热等效电路

图1表示晶体管的热等效电路。图中∑)(jc th R 为总内热阻，)(ca th R 为管壳到空气的热阻，)(cd th R 为管壳到散热器的热阻，)(da th R 为散热器的热阻。 ⒊ 耗散功率Pc 的测量

前面已经指出CB C BE E C V I V I P +=，式中E I 、C I 可以用电流表进行测量，BE V 、CB

V 可以用电压表测量，将测量的结果带入上式，就能够求的耗散功率Pc 。 因为设计良好的晶体管E I ≈C I ,因此

CB

C BE E C V I V I P +=CE

E V I ≈

式中E I 、CE V 两个电参量测出以后，就可以求出Pc 。

综上所述，热阻测试装置主要应包括晶体管偏置电源、提供测试电流的恒

流源、恒温槽及用来测量壳温的电位差计。QR2热阻测试仪主机方框图如图2所示。

图2 热阻测试仪方框图

在时间控制产生时间控制尖峰脉冲，分别触发电流源脉冲控制单元、测试脉冲控制单元和电压源脉冲控制单元、其波形如图30.3所示。

图3电流源、电压源、测试信号、基准电压波形在电流源脉冲控制单元作用下，使WY-103偏置电流源产生脉冲加在被测

管发射机和基极，此电流即为发射极电流

I。在电压源脉冲单元作用下，使

E

WY-102偏置电压源产生脉冲加在被测管集电极和基极之间，即给集电结外加偏

压

V。使偏置电流源和偏置电压源脉冲宽度基本相同，并且在脉冲截止时为零。

CB

在测试控制脉冲的作用下，测量的继电器在上述两脉冲截止时接通，使测

试信号恒流源加在被测管基极与集电极之间，即在集电结加上恒定的正向电流

F I ，那么被测管集电结将产生正向压降，此正向压降和一定的结温相对应。

对于硅pn 结，前面以指出其正向压降随温度的变化率约为 -2mV/℃。为了提高测量的灵敏度，准确的进行测量，采用了基准电压，如图2所示，表指示的并不是集电结的正向压降，而是基准电压被此正向压降抵消后加在峰值电容上的剩余电压。因此，随着温度升高，集电结正向压降下降，而F V 表的指示则上升。

二、 实验内容

⒈ 为了保证晶体管在安全区工作，应根据被测管的击穿电压CEO BR V )(最大集电极电流CM I 、最大耗散功率CM P 来选取功率点。

一般可选取5

1( C P ---CM P )3

1、CEO BR CE V V )(2

1 、CM E I I

⒉ 测试信号电流F I 一般选为0.1%CM I ，根据不同功率点的被测管可参考如下数据：

1W 以下 0.5mA 1---5W 0.5---1mA 5---30W 1---5mA 30---100W 5---15mA 100---200W 15---25mA 200W 以上 20---30mA

在测试过程中，除了正确选取功率点和测试信号电流以外，为了保证测量准确性，还应使管壳温度保持在一定的范围，一般使硅管壳温保持在50－70℃。 ⒊ 当给被测管施加功率时，在热平衡条件下，用电位差计测量热偶的热电势值，同时读取F V 表指示的数值。其中热电势差和壳温相对应，F V 的数值则对应这结温。

⒋ 在上面给被测管施加功率时，测量CE V 、E I ，计算耗散功率Pc 。

⒌ 把被测管放在恒温槽的测试筒中，用导电温度计控制恒温槽的温度。不给被测管施加功率，测量热偶的热电势值随温度的变化，作热偶校正曲线。 ⒍ 在测热电势随温度变化的同时，测量F V 随温度的变化，当F V 表指示重复出现管子在施加功率时的数值，读取测试筒温度计的温度即得到结温。

三、 实验步骤

⒈ 把校准好的QR2大功率晶体管热阻测试仪预热半小时。

⒉ 把WY -103偏置电流源和WY -102偏置电压源和热阻测试仪连接。

⒊ 把被测管紧固在选择好的散热器上，在将散热器安装在测试机构上，使被测

管和热阻测试仪连接。

⒋ 将测试电流F I 调节到所需的值。校准F V 表的零点，将基准电压调至0.1V 档，调节F V 表满度（100mV ），然后进行测量。当发现F V 表反打时，调基准电压，使F V 表指针刚好正方向偏转，记下F V 指示值。

⒌ 把测试电流F I 调节到所需的量程，开启恒温槽搅拌开关，永恒温槽的油冷却散热器。

⒍ 调节WY -102电压调节旋钮，使WY -102输出电压，将WY -103输出旋钮按一下，准备指示灯熄灭，调节其输出为脉冲电流。

⒎ 逐渐增加WY -102偏置电压源和WY -103偏置电流源的输出，使E I 和CF V 满足所选择的值，并在测试中保持稳定。

⒏ 在热稳定条件下，读取电位差计和F V 表指示的数值，然后调节电流源和电压源，逐步去掉功率，最后关掉电流源和电压源，将恒温槽的搅拌开关关闭。 ⒐ 先将被测管从散热器上取下并装在托架上，再将热偶插入托架热偶槽中，然后将托架一并放入恒温槽测试筒中。

⒑ 将热阻测试仪校准零和满度以后，把各旋钮放在与施加功率相同的位置，将恒温槽出油管的橡皮管拿掉，把出油管螺钉拧在出油管口上，打开恒温槽的加热开关，测量电位差计mV 值和温度曲线及F V 随温度变化曲线。根据施加功率时测得的mV 数和F V 值，查曲线即可求得壳温和结温。

四、 数据处理和分析

本试验测量虽然比较费时，但数据处理很简单，需要测量数据处理包括： ⒈ 对应功率点的耗散功率CE E C V I P ?=。

⒉ 电位差计指示的热电势随温度的变化，作热偶校正曲线。 ⒊ 峰值电容上的电压F V 随温度的变化，作F V －T 曲线可得壳温A T 。 ⒋ 根据加功率时电位差计指示的热电势值查热偶校准曲线可得课壳温A T 。 ⒌ 根据加功率时峰值电容上的电压查－F V T 曲线可得结温T .

⒍ 由求得的耗散功率Pc 、结温J T 和壳温A T 代入式（3）即可求出热阻T R 。 ⒎ 对测得的结果进行分析，找出误差来源。

五、 思考题

⒈为什么用热敏参数法测试的是平均热阻？

⒉简述结温

T的测试原理和方法。

J

⒊为什么要采用偏置电流源和偏置电压源产生脉冲信号进行测量？

⒋为什么要测量峰值电容上的电压而不是直接测量结上正向压降？

六、参考资料

⑴高光渤，半导体器件可靠性物理，科学出版社，p.126-151,1987.

⑵宋南辛，晶体管原理，国防工业出版社，p.214-218,1982.