功率器件稳态温度预测的非稳态测试及精度分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMar．252012Vol33No．3537—543ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2012)03—0537—07功率器件稳态温度预测的非稳态测试及精度分析李洪才1’2～，陈非凡h2’，董永贵1’21．清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京1000842．清华大学精密仪器与机械学系，北京1000843．第二炮兵工程大学202教研室，陕西西安710025摘要：结合功率器件非稳态

2、导热的温度变化规律。采用非稳态的测试方法。对功率器件在不同条件下得到的时间常数及稳态温度的预测精度进行了测试和分析；并以此为依据，提出了一种综合利用功率器件升温及降温曲线，从而有效降低功率器件测试温升幅度的方法。实验及分析结果表明。在给定5％的误差范围内。单独采用温升测试数据对稳态温度进行预测时，温升测试幅度需达到总温升的70％左右。而综合利用升温及降温阶段的测试数据时，温升幅度可以降低至40％左右，对应的温升测试时间也缩短为前者的1／2。从而可以有效提高功率器件的热测试效率，并尽可能降低测试对器件造成的损害。关键词：非稳态导热；功率器件；稳态温度；非稳态测试；精度分析中图分类号

3、：V241．01；TN606文献标识码：A随着航空电子系统的发展，电子设备越来越复杂，集成度越来越高，热流密度也随之不断上升。而丁作温度是影响航空电子设备可靠性的关键因素之一[1引。尤其对于航空电子设备中的功率电子器件而言，高功率[3]、高频和集成化[4]导致功率器件过高的温升已成为其应用中面临的一项重要问题¨6

4、。稳态温度是功率器件达到热平衡状态时长时间保持的T作温度，工作过程中过高的稳态温度将影响电子器件的可靠性及使用寿命【7-8]。多数电子器件温度在70～80℃的水平上每增加1℃时，可靠性将下降约5％[910]。冈此在航空电子设备的散热设计中，确保功率器件工作过程中的稳态温

5、度在合理范围内是航空电子设备热设计的关键任务之一。功率器件稳态温度的获取通常可以采用理论计算、数值仿真以及热测试来实现。由于功率器件热设计中采用的散热器一般形状较为复杂、材质及表面处理的方法也不尽相同，理论计算和数值仿真的结果与实际情况的误差往往较大[11

6、。传统的稳态测试要使整个散热体系达到热平衡状态，测试效率较低，而且功率器件热测试时的温度不允许超过其最高的限制使用温度[1引。非稳态测试则可以根据功率模块的温度变化规律，测试过程中不需要达到热平衡状态，测试效率较高Ll引。但在测试过程中，温升测试幅度过低时得到的参数预测误差较大；过高的温升幅度则对功率器件易造成损害，并影响其使

7、用寿命。因此在保证功率器件传热参数非稳态测试精度的前提下，尽可能降低其温升测试幅度显得非常必要。本文针对航空电子设备热设计及测试中，对收稿日期：2011．10—19；退修日期：2011—11—25；录用日期：2011—12—13；网络出版时间：2011—12-2818：18网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detaU／11．1929V．201112281818．009．htmlD0l：CNKI：11-1929／V．20111228．1818．009*通讯作者．Tel．：010—62782010E—mail：cff@mail．tsinghua．edu．cn戮焉撂武lL

8、iHC。ChertFF．DongYG．Unsteadytestofsteady-statetemperaturepredictionofpowerdevicesandaccuracyanalys『s．ActaAeronauticeetAstronauticaSinica．2012．33《3)}537-543．李洪才．陈非兄．董未费．功率器件稳态温魔预潮的非稳态穗试及精寝分析÷航空学报。2012。33《3)：537-543，538航空学报Mar252012VoI．33No．3功率器件不同测试温升比例与所得稳态温度及时间常数的预测误差之间的关系进行讨论分析。并以此为基础，提出了一种综

9、合利用功率器件升温及降温阶段的测试数据来改善功率器件稳态温度预测效果的方法。该方法可以在保证稳态温度预测精度的前提下，有效降低功率器件测试过程中的温升幅度，从而尽可能降低非稳态测试中的温升对功率器件造成的损害。1非稳态导热理论及其测试方法对于多数带有散热器(Heatsink)且尺寸较小的功率器件而言，散热器内部的导热热阻远小于其表面的换热热阻(即毕渥数Bi(O．1)，此时可以近似认为功率器件的温度仅是时间的一元函数，从而简化功率器件的传热分析。假设功率器件工作时的发热功率为Pd，