确认晶片温度

在本章中介绍判断所选的电晶体在实际工作中是否适用的方法和步骤。

⑦确认晶片温度

在上一篇文章“確認平均功耗在額定功率範圍內“的结尾处谈到了‘确认功耗是否在额定范围内的方法有几种，不过最终还是判断TJ是否在绝对最大额定值范围内。’本文将作为其后续内容来介绍一下晶片温度即TJ的求法。

实际上，只要功耗在规定的额定值范围内，晶片温度也会在绝对最大额定值范围内。这是因为就像上一篇提到的，额定功率的计算是基于晶片温度的。因此，使用条件是否适当，通过这之前的确认步骤即可作出判断。不过，之所以再增加晶片温度确认这一步，一是为了提高确定性，另外还可以作为考虑一旦意外超出规定的额定值时的对策时的依据。

決定晶片溫度的因素之一是熱阻。熱阻下降時晶片溫度就會隨之降低,這在後面會通過公式進行說明。在使用條件的限制中,通常會要求晶片溫度Tj在最大額定值範圍內,並且要進行散熱設計以獲得所需的功率。在不改變電晶體單體的熱阻的情況下可以處理的功率,遠遠低於電晶體本身所具有的能力,尤其是功率電晶體,多與散熱器配合使用。在這種情況下散熱設計的基礎就是晶片溫度Tj。

什麼是晶片溫度

为保险起见，在此明确一下什么是晶片温度。晶片温度是指电晶体晶片本身的温度TJ（结温）。晶片温度TJ是周围（环境）温度的Ta与晶片发热量相加后的温度，是考虑额定值和寿命时最重要的因素之一。

晶片溫度的計算

包括示例中使用的R6020ENZ在内，由于近年来的电晶体晶片是由树脂密封的，当然就无法直接测得晶片的温度。因此，TJ基本上是通过计算来求得的。以下为计算公式示例。

前面已经略作说明，如公式所示，晶片温度TJ是热阻×功率，即晶片发热量与环境温度的Ta的总和。这是最基本的公式。

圖中給出了各部分的溫度與熱阻之間的關係。圖中雖然包括散熱片,不過外殼(封裝)溫度Tc只是電晶體封裝表面的溫度。熱阻的關係如下。

沒有散熱片時的θca只是簡單地從給出的θja減去θjc後的值。有散熱片時散熱片的熱阻相當於θca,反過來θja並不是單體給出的值,而是θjc與θca的總和。下表是從技術規格書中摘錄的。功率電晶體絕大多數都使用散熱片,所以一般會提供θja和θjc。

通常θJC会远远低于θJA，因此通过散热片的热阻可大幅降低θJA。单体的θJA（表中为TthJA）为40℃/ W，比如使用10℃/ W的散热片即可将θJA降至11.04℃/ W *。另外，假设散热片是无限大的散热片时，可以认为θJA=θJC。（*仅仅是用于举例的简单计算。实际的θCA需要考虑封装表面与散热片间结面的热阻。另外，本来散热片的热阻是计算出TJ在额定值范围内所需的值后再选择的。）

最後,只要具備了計算所需的數值,計算就非常容易了。功耗需要在上一篇提到的平均功耗的基礎上,還要考慮到最差條件等因素.Ta基本上應為實測值。但是,測量Ta其實並不容易。測量時只要用熱電偶測量環境溫度即可,但是發熱體附近和距離發熱體遠的位置之間的溫度差別很大。另外,還有安裝在實際裝置的框體內,空冷風扇使空氣流動等情況,究竟以哪個條件下的環境溫度為助教,實際上是相當難的問題。對此,近年來使用Tc求Tj的作法越來越多。

由锝求TJ的方法

近年来，随着热成像和辐射温度计等的普及，封装表面的温度测量已经比传统相对容易。用于计算的锝使用封装表面最高的温度，而利用热成像可以一目了然地查看封装表面的最高温度，非常方便。

这个方法对于表面安装型封装是很有效的方法，但对于上图中的TO-220型通孔插装器件则需要采用稍微不同的方法.TO-220型的功率电晶体在实际使用时，几乎都与散热片一起使用，散热片一般被设定在封装的背面。所以如上图所示，这种情况下的外壳（封装）温度（不是背面和表面，而是指θJC的C）是与散热片之间的结面温度。而且，由于与散热片在一起，所以使用热成像仪测量外壳温度（与散热片间的结面）并不现实。

作为替代方法，一种选择是使用热电偶。在散热片上打孔，将热电偶放在封装背面来测量温度。

另外，还可以根据散热片的温度来反向推算。在这种情况下，需要的不是散热片的θCA，而是散热片本身的热阻。亦或回归根本，通过钽来计算可能更简单。重要的是准确获得TJ。不管采用什么方法都是带有余量的，所以需要考虑精度究竟要求到什么程度。

接下来，请看由锝计算的公式。根据前面提到的热阻的关系，公式如下。

至此可以得出结论：只要TJ未超过最大额定值150℃，所选的电晶体就是合适的但是在前面也提到过，基本上是需要散热设计的，所以即使TJ超过了150℃，也可以通过降低热阻来解决。