摘 要：功率晶闸管使用寿命与其工作温度密切相关，本文就对功率晶闸管通态压降和结温的关系进行了研究，并设计出了测试功率晶闸管的热敏曲线，在实际使用中，我们可以通过这一曲线来将功率晶闸管的结温用容易测得的通态电压来表征，为运行功率晶闸管的状态检测提供参考。

关键词：功率晶闸管；结温；通态压降；关系；热敏；特性

在脉冲功率技术的推广下，晶闸管也随之广泛的应用。作为系统的核心部件之一的晶闸管的运行状态直接关系到系统能否正常运作。我们通过理论和实际研究，发现晶闸管的电气性能和结温有着密切的联系，我们通过研究晶闸管在不同工作状态下的结温就有助于优化和改善晶闸管的性能，进而为保证系统的正常运行提供依据。

一、当前结温测试现状

晶闸管在触发导通后，正向电流会在PN结中产生热量，热量会缓慢的传递给封装的铜基座，有时候我们对外壳的测温并不能正确反应晶闸管的结温，我们对于晶闸管的结温的测量比较棘手，如何才能正确测量呢？研究者们做了大量的工作，现在比较成熟的技术有热助抗法、扫描电镜法、有限元分析法、远红外光谱法等，由于功率晶体管在封装过程中技艺复杂，通过额定电流较大的原因，之前的方法只能是单纯测量几种功率晶闸管，具有使用范围上的局限性，因此我们讨论一种用晶闸管热敏参数来反应结温的方法。

二、功率晶闸管热敏性

晶闸管内部有三个PN结，PN结很多参数都对温度十分敏感，温度的变化会让特性也发生变化，所以我们就构思一种PN结参数特征与温度的对应关系来反映PN结的温度，从而获得运行状态下晶闸管芯片的结温。

从研究文献中我们得知，一个PN结的同台压降具有负温度的特征，并且通态压降随着PN结的温度的变高而粗线线性的下降。我们用公式来表示PN结的正向电流与通态电压的关系：[If=I0（exp-qUfkT-1）]（公式一），其中[If]为正向电流，[Uf]为通态电压，k为泊尔茨曼常数，1.3806505×[10-23J/K]，q为电子的电荷数，1.602192×[10-19C]，T是热力学温度，[I0]是PN结的反向饱和电流。我们可以得出：[I0=AT3exp-qUg0kT]（公式二），A为常数，[Ug0]是半导体材料的禁带宽度。我们把公式二代入公式一中，整理可得到：[Uf=kqlnIfAT+Ug0-3kqTlnT=U1+Unl]（公式三），公式三描述了PN结的通态压降、正向电流和结温的关系，当[If]为恒流时，通态压降只与PN温度有关。当T=0与T=1时，[Unl]表达式求导可以推到出[U'nl=-3kqTlnT'=-3kq（1+lnT）]（公式四），当T=1/e，[Unl]有一个最大极限值点，[Unl]与T关系如图1，在图像中高温区和低温区，[ Unl]随着T的变化而变化，且呈现非线性变化，但是到了中温区T与[Unl]的关系呈现线性关系。

在实际操作中，我们把半导体元件的工作极限值规定为473K，因此我们利用推导出的公式三来研究功率晶闸管的结温。

三、热敏特性的测试

我们设计并建设实验平台对功率晶闸管的热敏性进行测试，我们使用的测试晶闸管为5in冰球型2200A分装功率晶闸管，测试电流[If]的取值范围在功率晶闸管能够导通，又需要减少自身导致的附加发热。当[If]=20A，我们认为功率晶闸管芯片已经充分导通且小于额定电流，所以在平台采用了20A的恒流源提供正向电流。

实验中，我们用烘烤箱将需测试的晶闸管加热到不同的温度，然后进过足够长时间的热平衡后触发功率晶闸管，测量在恒定20A的电流下，此晶闸管的通态压降[Uf]，并将获取的通态压降与对应温度关系画曲线，形成热敏特性校准曲线图（图3）。

我们观察功率晶闸管的热敏曲线的线性在该区域线性度好，我们也可以推导出：[Tj=∆Uf·M]+[Tj0=-200∆Uf+531.04]（公式5）。我们通过探究功率晶闸管的通态压降可以计算出在此状态下的PN结温。

四、总结

在我们研究功率晶闸管的热敏特性研究之前，通过设计实验平台对晶闸管的热敏性进行了阶段性测试，画出了该功率晶闸管在20A的恒温下的热敏特性曲线，并推导出了功率晶闸管温度和通态压降的公式，取得了预想的实验效果，为后期的测量晶闸管的通态压降并取的结温创造了前提。

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