实验30 晶体管稳态热阻的测量

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1、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，给集电结施加反向偏压，使

2、晶体管正常工作，那么电源在晶体管总的耗散功率为：(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，集电结偏压比发射结偏压大的多，对于设计良好的晶体管，，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：(2)式中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：(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。以上二式中为

3、集电结温度，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。关键是集电结温度的测量。⒈结温的测量在实际工作中，常采用热敏参数法来测量结温。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：(4)式中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(5)(6)式中为外加电压。其中结电压随温度的变化率约为

4、-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：(7)式

5、中是热流由管子底座向周围空气或其他介质散热的热阻，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∑为总内热阻，为管壳到空气的热阻，为管壳到散热器的热阻，为散热器的热阻。⒊耗散功率Pc的测量前面已经指出，式

6、中、可以用电流表进行测量，、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,因此式中、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

7、流即为发射极电流。在电压源脉冲单元作用下，使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。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。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，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