二极管热电阻的测量方法
二极管热电阻的测量方法
江苏省电子信息产品质量监督检验研究院 冯建军
关键词：二极管 热电阻
一、前言
由于现代电路设计要求越来越高，电路设计工程师对每一个元器件的温度，功率都提出了新的要求，在这种情况下，结合测试工作，我们发现越来越多的二极管生产企业对产品的热电阻的测量提出了要求。
二极管的热阻抗与普通意义上的电阻不同，它用来表示二极管在温度升高的条件下功率耗散的情况。从对企业的调查和了解可以发现，大多数企业对于这一参数并不是十分了解，专用的测量仪器比较昂贵而且数量稀少，只有少数台资厂从台湾专门购置了设备用于该参数的测量，从而使得产品的参数在面对客户时有了更强的竞争力，这一点也促使其竞争对手对于二极管热电阻的测量有了更强的需求。
通过对标准的研究可以发现，二极管热电阻的测量原理并不困难，本文结合安全实验室的现有设备，阐述了在目前情况下测量二极管热电阻的方法，经过与企业的仪器进行比对，测量精度，准确度的误差在3%以内，基本可以满足企业对该参数测量的需求。
二、参数定义
θ：二极管热电阻。它表示了二极管在当前的封装模式和散热条件下散发热量的能力，同时，它也给二极管运行的安全功率等级提供了参考。通常的商业用技术规格书中，会给出二极管的一般参数，但是对于电路设计人员来说，热电阻这个参数是必不可少的。二极管热电阻表示了功率耗散和温度间的关系，其计算公式为：
θ=(Tjunction-Texternal)/Pdiss (1)，
其中，Tjunction为结温，Texternal为环境温度，Pdiss为耗散功率。
三、测量方法
由公式（1）可以看出，对于热电阻的计算，有以下几个变量需要测量，一个是二极管的温度，其中又包括结温和环境温度；一个是二极管的耗散功率。对于二极管来说，Pdiss即为二极管的电压以及对应的通过二极管的电流的乘积。而结温是指二极管的PN结的温度，由于工艺关系，成品的二极管都已经完成了封装，在不破坏二极管的条件下，这个参数对于我们来说难以直接测量，必须通过其他的间接方法进行。
经过试验可以发现，二极管的结温与其导通电压是呈线性关系的，其比值可以用K来表示。由于无法直接测量到二极管内部温度，在实际测试中，只能通过改变环境温度，用环境温度的变化来模拟结温的变化情况。试验中，将二极管置于高温箱中，进行较长时间（长于1小时）的预处理，使二极管的温度尽可能的与外界环境温度达到均衡，然后直接在高温箱内对其在不同温度下的导通电压进行测量。经过选取等多个温度点下对于导通电压的测量，可以得出结论，二极管的导通电压与与温度呈反比关系,如图1所示。
则表示结温与电压的参数K可以近似的表示为
K=|(V2-V1)/(T2-T1)| (2),应当注意，测量应尽可能的精确，以达到绘制出平滑的K值曲线的目的。
导通电压
V
环境温度T 图1
在绘制完成二极管的K参数后，就完成了电压与温度之间的比值的测量，接下来就可以对耗散功率进行测量。相关的测试电路示意图如图2所示。
图 2
如图所示， VF是用来测量二极管工作图2 时两端电压的仪器，IH和I M表示测量所需要的两套恒流源，需要在测试前调试完成。其中， I M为测量电流，其电流值的选取通常为二极管的一般工作电流，在试验中通常小于0.5A, I H 为加热电流，一般而言，该电流大小可以有0.75A,1.0A等多种选择，由二极管的参数以及客户要求决定。在完成对两套恒流源的设置后，将其按照图2进行连接。
测量时，首先在二极管两端提供测量恒流IM,并测量此时二极管两端的导通电压并记为VFi；之后，迅速将恒流替换为加热恒流IH,待电压稳定后，记录电压为VH;第三步，将IH迅速替换为IM,并记录电压VFf。
试验过程中，大致的电流与电压的时序，幅度关系如图3，图4所示。
图3 测量的电流
图4 测量的电压
经过测量，可以发现VFi，VFf并不是同一数值，这时由于经过IH的加热，结温在电流转换的一瞬间仍然保持着较高的水平，通过电压的变化，在根据已经绘制出的曲线，可以达到我们间接测量结温的目的。经过计算，可以得到电压的插值ΔVF。再将ΔVF代入公式（2），得出ΔT,将VH与I H相乘，即可得到Pdiss的值。
再将上述结果代入公式（1），即可得到二极管的热电阻。
四、测量误差
通过多次的试验以及与工厂专用测量仪器的比对，发现在以下的几个方面的测量对测量结果的有较大的影响。
1. K曲线的绘制，这一步可以说直接关系到整个测量的准确性，为了提高正确率，在
进行温度处理时，应将预处理时间延长，使二极管的温度与环境温度保持一致。另
外，绘制曲线时对同一型号同一批次的二极管进行多次测量，对比K值，可以得到
较满意的结果。
2. IH和I M的使用，要尽可能保证2套恒流源之间的切换能够快速完成，尤其是IH向I
M切换的过程中，时间越短，则结温的测量越准确。在试验中，选取一个单刀双掷
开关就可以基本满足需求。
3.
五、结论
通过与工厂的对比，该方法的测量结果的误差可以维持在3%以内，可以满足小规模的检验要求。