达林顿管瞬态热阻测试方法的研究

曲晓文，王振民

（1.抚顺职业技术学院信息工程系，辽宁 抚顺 113006；2.罕王微电子（辽宁）有限公司，辽宁 抚顺 113006）

0 引言

热阻是功率晶体管热学特性的关键参数，晶体管功率容量的大小、热学可靠性与器件的热阻直接相关[1]。瞬态热阻的测量是给器件施加一定的功率后，检测器件管芯在瞬间的温度响应状况。即：

式（1）中：Rjc——瞬态热阻；

δTj——器件的结温变化；

PH——施加的功率。

这项参数可以用来确定芯片、烧结层或管壳的质量。对于三极管的热阻测量方法，国内已经有成熟的技术和设备，如北京无线电仪器厂生产的BJ 2984型热阻测试仪。只是在误差的修正方法上有所不同。对于达林顿管的瞬态热阻测量仪器，国内尚属空白，红外扫描热像法可以精准地测量器件的结温和热阻参数，但红外热像法的成本高、测量复杂，只能适用于设计前期或是成品的解剖分析[2]，不能对器件进行筛选或批量检测；电学法效率高、易操作，可适用于批量检测。但此类设备仅依赖于进口，各科研院所、企业的拥有量也很少。达林顿管的瞬态热阻的测量是对结温的测量，显然结温无法直接测量，这是达林顿管的瞬态热阻测量的难点[3]。在图1中可以看出，功率级的发射结与推动级的发射结串联在一起，集电结也是这样，而功率级又是达林顿管的主要发热部分，其功率消耗是推动级的几十倍甚至百倍；达林顿管的电流放大倍数 β=β1*β2，其中 β1是推动级的放大倍数，β2是功率级的放大倍数，那么功率级的通过电流是推动级的β1倍。由于达林顿管的放大倍数高，受温度的影响，推动级管的漏流或者外部的微小输入电流可能会使功率级误导通，所以，通常达林顿管会集成两只电阻，以吸收漏电流（如图2所示）。对于推动级，当输入电流小于Vbe1/R1时，电流会被R1旁路掉（Vbe1是推动级的发射结导通压降）；对于功率级，当输入电流小于Vbe2/R2时，电流会被R2旁路掉（Vbe2是功率级的发射结导通压降）。通常 R1会是R2的几十倍。这两个电阻的存在增加了瞬态热阻的检测难度。在测量热阻以前应该对这两个电阻值先做测量，尤其是功率级的电阻R2。对于达林顿管热阻的检测，目前国内有采用预先加温标定的办法来检测热阻。即预先将达林顿管加温，用测试仪记录下Vbe——T或Rbe——T的对应曲线（Rbe=R1+R2），在检测时加载一定的功率脉冲后，关掉脉冲的瞬间检测Vbe或Rbe，再查询对应的温度。由于预先加温的标定过程是整体加温，而检测时主要的发热部分在Q2，这就必然使检测值偏低。本方法可克服这些不足，在测量Q1内部温度时同时检测Vbe，并计算出Q2的温升，从而计算出瞬态热阻。

图1 达林顿管的原理图

图2 达林顿管的内部结构图

1 实现方法及其说明

达林顿管瞬态热阻检测的原理框图如图3所示，整个系统由单片机实现控制。功率加载脉宽控制电路采用电子开关，开关导通和关断时间1 μs以内，并且应有足够的电流容量。在给定的电压下，加载功率决定于加载的电流，这样电流控制电路就非常重要，精准度应高于1%，由于达林顿管的放大倍数很高，一般几千倍以上，这样基极电流就会很小，发射极与集电极的电流几乎完全相等，这样就有PH=V*IE。所施加的功率是电源电压与发射极电流的乘积Vbc检测恒流源是用来检测推动级三极管的温度变化，首先检测并计算出推动级三极管集电极的M值。由于推动级的发射结和集电结的物理空间最小，温度基本一致，两者的正向导通压降近似相等。Vbe1=Vbc1如果能测量出达林顿管的Vbe。就可依据Vbe=Vbe1+Vbe2计算出功率级的结压降Vbe2，这里必须要考虑到R2的分流因素，所以应该测量其阻值。能够得到Vbe2的数值，就可以依据其数值变化来测定功率级的温度。即：

这里VbeADC系统与VbcADC系统要采用高速ADC变换，在VbcADC变换完成后的2 μs时间内完成VbeADC变换。这是一个关键点。因为在结温很高的情况下，其变化速度也会很快，要测得真实的数值就必须在微秒的数量级内完成变换。

Vbc检测恒流源 与Vbe检测恒流源，其恒流数值需要根据R2进行调整，满足以下：

即：推动级两个结的检测电流必须相等，并且留有R2旁路的余量。

Ibe2才是对Vbe2的测量电流，通常取值10 mA。

2 操作步骤

a）测绘达林顿管的Vbe-Ibe曲线

测绘曲线的目的是为了精确地测得R2阻值，用Vbc检测恒流源与Vbe检测恒流源的数值来设定并绘制该曲线，它应该以电流为自变量，以电压为因变量，因为电流的变化速度非常快，如果以电压为自变量、以电流为因变量，由于曲线非常陡，就难以测得精准的数值。测绘线路图如图4所示。V1是毫伏电压表，用来读取Vbe。V2是毫伏电压表，用来读取Ibe在R4上的电压降；读取的电压最后可换算出电流：Ibe=V2/R4。R1R2R3是分档电阻，便于提高测量精度；W1是多圈电位器；R4是高精度电阻。

图3 达林顿管瞬态热阻检测的原理框图

图4 达林顿管的测绘线路图

图5 达林顿管FHD 30的Vbe-Ibe曲线图

达林顿管FHD 30的Vbe-Ibe曲线如图5所示，在曲线中可以看出存在两个明显的拐点。第一拐点以下的电流是R1+R2的旁路电流，其曲线的斜率就是R1+R2的阻值。第一拐点以后Q1的be开始导通，第二拐点是Q2的be开始导通，在两个拐点之间有一段平滑区域，这个区域的斜率是由两方面决定的：1）Q1的be导通特性；2）R2。它们有如下的关系：

由二极管方程I=Is[exp（qV/kT）-1]，得出

在常温下：

所以，可根据平滑区域的斜率和电流值计算出R2：

Ibe1取所选平滑区域的中间数值。

b）确定检测电流

依据（3）式 Ibe1=Ibc1=Ibe2+I（R2），检测电流Ibe2=Ibc1-I（R2）。

R2的旁路电流 I（R2）=600 mV/R2，600 mV是发射结的导通电压。则Ibc1=Ibe1=10 mA+600 mV/R2。

c）检测Vbc1并计算M值

由于在绝对零度下，硅材料pn结的导通压降是1 267 mV，并与温度呈良好的线性关系，这样，在测得环境温度和导通压降后便可依据下面的公式计算出M值：

d）测量Vbe值并计算出Vbe2值

e）按照公式（7）计算出Mbe2

以上c）、d）、e）步在单片机内部完成。

f）确认功率脉冲

针对15 W以下的达林顿管，其功率脉宽在10～50 ms；针对15 W以上200 W以下的器件，其功率脉宽在 50～100 ms。

g）加载功率的设定

同三极管的测试一样，所加载的功率应该是器件额定功率的1/3～1/2。

h）计算

依据公式（1）计算出热阻。由此计算出来的达林顿管的瞬态热阻也有一定的误差，绝大多数半导体器件制造商都会为其热阻的测量结果设置一定的余量以确定器件的极限值。这样有助于将测试误差考虑进去和保证器件的可靠性[4]。可以根据达林顿管的瞬态热阻特性曲线，通过软件实现矫正。

3 结束语

达林顿管的瞬态热阻是达林顿管的一个重要技术参数，是衡量达林顿管质量优劣、可靠性高低的一个重要技术指标。达林顿管瞬态热阻的测试目前在国内还没有有效的方法，本文所述的研究方法，在达林顿管的热阻试中可以很好地减少测量误差，基本上达到了准确、迅速和高效的测量要求。

[1]赵桧，尹攀.功率晶体管热阻测试条件确定方法 [J].电子产品可靠性与环境实验 2008，26（1）：52-56.

[2]李霁红，贾颖，康锐，等.双极晶体管△Vbe瞬态热阻测试法精度修正 [J].半导体学报，2005，26（5）：1010-1014.

[3]吴文民，李俄收.达林顿管的检测方法 [J].汽车电器，2008（2）： 67-68.

[4]DASHNEY G E.Basic senmiconductor themal measurement[DB/OL].（1996）[May 2007].http： //www.onsemi.com/pub/couateral/AN1570-D.PDF.