功率器件在高温环境下的选型与应用设计

温建国， 陈晓月， 王明鑫

（华北光电技术研究所， 北京 100015）

红外探测组件， 是一种对温度高灵敏被动式半导体成像器件，为达到最佳的成像质量，通常工作在稳定的低温环境下。

一般通过斯特林制冷机组件中的驱动控制器进行精准控温调节， 为红外探测器组件提供所需稳定的低温环境。

随着红外探测器组件在恶劣热真空环境下的广泛使用， 对红外探测器组件中的斯特林制冷机驱动控制器提出了更高的指标要求。

因此需要对斯特林制冷机驱动控制器的元器件在高温环境下应用进行设计验证，尤其是对驱动器电路中发热大的功率元器件易受到工作高温环境与自身散热的影响， 在恶劣高温环境下的承受能力进行了相关试验和应用研究。

本文主要介绍了红外探测器组件中斯特林制冷机驱动控制器中大功率器件在高温环境下的选型，降额设计，元器件布局布线，散热设计，最终根据试验验证的结果，提出了设计方案和最终散热整改措施， 使得斯特林制冷机能够确保红外探测器组件在极端恶劣的热真空环境下可以正常工作， 并输出高质量红外图像。

红外探测器组件斯特林制冷机[1]工作原理流程图如图1 所示，通过制冷机驱动控制器的闭环控制，制冷机冷量通过金属杜瓦冷指耦合结构的输出与传递最终与红外探测芯片的热负载保持一个平衡状态。

使得红外器件工作在相对稳定的低温环境中。

图1 红外探测器组件斯特林制冷工作原理流程图

其中制冷机驱动控制器主要负责通过对温度电信号的处理控制制冷机内直流无刷电机的转速， 最终达到控制斯特林制冷机冷量输出与红外探测器件热负载的动态平衡。

其内部主要包含了电源处理电路（滤波、变换等）、信号处理电路（放大，PWM 调制等）、防护电路和最终推动电机旋转的功率输出电路等功能模块。由于驱动控制器中功率输出电路是电路中主要耗散和发热源， 因此其中的功率器件（MOSFET）的选型设计和参数选取至关重要。

斯特林制冷机驱动控制器采用集成装配设计形式，驱动控制器电路的安装空间有限， 功率器件的选型无法采用直插大封装或装备散热器等散热良好的功率器件，器件尺寸必须依照小型化板型进行选型设计。其次，选用功率MOSFET 器件前， 评估本产品高温环境下带载情况的峰值输入功率＜19W，控温阶段输入功率＜12W，整体功耗情况为小功率输出产品，并通过式（1）计算产品连续峰值输出电流＜0.8A。

MOSFET 选型最终综合尺寸小型化设计与连续峰值输出电流情况，选用了进口的SO8 表贴小封装形式，N-P 对管MOSFET 产品，主要设计选型考虑的器件参数如表1 所示。

表1 参数表

其中实测产品的连续电流峰值为0.8A，应用式（2）可以得出MOSFET 最高的实际导通耗散功耗约为0.08W，其它一些杂散功耗（如开关损耗，驱动损耗，截至损耗等）约为0.02W，整体产品的实际工作中的峰值电流ID 与耗散功耗PD 均远远低于所选MOSFET 器件额定参数值，完全满足产品应用的高温环境的极限要求。

参数值中的开启与关断时间主要是产品处于PWM调制控温阶段，对波形的影响，实际应用中，PWM 开关频率为25KHz 左右，所选器件的ns 级开启关断时间完全能够满足产品波形调制的要求。

参数值中的结壳热阻R（th）j-a最大为55℃/W，通过结壳热阻值与上述总耗散功耗值 （0.1W） 可以计算得到MOSFET 器件工作时整体的耗散功耗对应温升约为6℃左右。对比表中工作温度范围，可以看到产品选型完全满足驱动控制器工作中的温升需要。

元器件选用后， 根据探测器组件产品使用的项目要求，还需要对器件主要参数进行降额设计评估。降额设计主要是设计选用的元器件工作时承受的工作应力依照规范要求的降额因子应适当低于元器件的额定值， 达到降低基本失效率，提高使用可靠性的目的。红外探测器组件在本项目使用的元器件一般按照GJB/Z 35-1993《元器件降额准则》[2]规定进行降额设计，大致分为三个等级，降额因子为0.5～0.9 之间。

依照项目要求标准，本产品选用的元器件参数降额等级均要求为Ⅰ级降额， 确定功率元器件（MOSFET）的合理的降额系数为在0.5～0.6。

其降额设计主要是从电压、电流、功率和工作温升等四个方面进行考虑。

降额设计时， 额定选用器件数据手册中最小参数值，实际使用值选用产品的最大的峰值。本产品选用的功率器件的降额设计如表2 所示。

按产品降额实际使用值与额定值之间的比值，使用式（3）：

表2 功率器件降额设计表

下述电压、电流、功率等三个主要降额参数均满足降额准则中小于I 级降额系数的要求；

温度降额可以应用准则中的使用式（4）：

产品结温按150℃，TC应为85℃；
根据总功耗与产品结壳热阻55℃/W 计算高温环境（Th）60℃时总温升，按式（5）计算出整体芯片温升约为66℃， 满足T＜TC符合项目的I级降额。

本文所述驱动控制器选用MOSFET 功率器件为国外生产的N、P 组合型功率MOS 管，主要用于组成功率输出的H 桥斩波电路[3]形式，是驱动器对外连接电机的端口。通过驱动控制器内部电路产生的PWM[4]调制波对功率输出电路的H 桥进行控制，驱动三相直流无刷电机运转，H桥上下端MOS 开关时间波形如图2 所示，是输出功率的主要电路，其中的组成H 桥的MOSFET 器件也是驱动控制器的主要发热源。在选用功率器件时主要考虑了电压、电流、功耗、壳温等降额设计外，同时也考虑到选用的产品的导通电阻RDS 仅为mΩ 级，在高电压和大电流的情况下，低的导通电阻可以提高产品输出效率，降低器件自身的导通耗散功耗，进一步改善芯片自身的发热状况。在板图的设计时， 针对上述使用情况和功率器件特点进行有针对性的布局布线。首先布局时，由于输出功率器件工作时具有干扰大， 发热大等特点将其作为驱动控制电路的主要干扰源， 整体放在电路板边缘部分，并做好栅极端接阻抗的匹配，增加续流二极管，尽量切断传导（CD）和辐射（RD） 两个耦合方式对抗扰度低，敏感的模拟处理和信号反馈电路模块的影响，提前做好整体产品的电磁兼容[5]（EMC）设计。

同时将功率器件放置在电路板边缘位置利于后期散热设计， 减小了工作在高温环境下器件自身发热对整体电路的影响。

图2 H 桥上下端MOS 开关时间波形图

布线时增大整体电源输入线宽， 输出采用整体敷铜增加输出线体的尺寸，依照工程估算式（6）[6]：

式中：K—修正系数；

内层取0.024， 外层取0.048；
T—温升；
A—敷铜面积（mil2）；
I—容许的电流（A）。

结合实际产品使用的峰值电流情况并考虑到可靠性与板内布线尺寸能力，本产品PCB 制板采用1oz 敷铜，输入与输出均采用80mil 线宽[7]。

降低电路板设计中输入输出引线阻抗的影响，降低功耗，降低发热，从而保证产品高温环境下的可靠性。

散热设计考虑采用导热橡胶[8]对器件与外金属盖板间进行填充；
导热橡胶材料具有阻燃防火的性能，同时又非常柔软， 能够完全填充热源与散热材料之间的间隙，增大了散热面积，完美的进行全接触式散热，同时还具有很好的减震、绝缘、密封的作用[9]。但第一次设计时，由于选用材料的导热系数0.8W/（m·K）， 填充间隙厚度为4mm，装配效果如图3 所示。实测中由于选用的导热材料导热系数低， 填充间隙厚度过大， 芯片热量无法有效导出，散热效率低。

不但无法起到好的散热效果， 反而为器件散热增加了热阻。

图3 4mm 填充间隙散热设计

其后对散热设计进行了全面整改。

为增加散热效率，将驱动盖板材料由硬铝改为紫铜，提高了散热材料本身的导热系数使得驱动盖板导热系数[10]增大3 倍（λ 铝合金=123W/（m·K）→λ 紫铜=386W/（m·K）， 选用另外一款厚度为0.5mm 薄型填充导热橡胶材料， 材料的导热系数也提升到3W/（m·K）， 同时在后盖散热紫铜板上增加凸台设计减少散热材料与热源之间的间隙， 整体间隙由原来的4mm 降低到了0.35mm 左右， 填充材料整体变形控制在20%～30%之间，符合填充材料使用的要求。整体散热设计后的装配结果如图4 所示。

通过更换导热驱动盖板使用材料，增加导热能力，使用导热系数更高的导热橡胶材料，增强导热性能，减小导热填充间隙，缩短导热路径长度，使得整体热量传递效果得到明显提升。

最终整体产品热仿真结果如图5 所示，满足产品最终的设计要求。

图4 整改后散热设计

图5 整体产品热仿真结果图

本文重点阐述了斯特林制冷机驱动控制器中功率元器件在热环境下的选型设计、电路布局设计、散热验证与工程应用，关键是选型之初要明确主要的电学参数，并依据GJB/Z 35-1993《元器件降额准则》进行产品必要的降额设计，通过电路的布局布线的优化功率器件产生的热耗，最终通过产品热设计使得功率器件自身工作时产生的热量能够迅速有效的导出到散热盖板，并通过散热盖板进行散热，从而改善了功率器件在高温环境下的工作环境，提高了驱动控制器产品在高温环境下的可靠性并延长使用寿命。文中所述方法与措施为今后科研生产中高温环境下的产品开发设计积累了经验。

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