【经验】如何通过热特性正确推导二极管结温以及尽量降低结温提高产品寿命的建议

时间： 2020-02-24 来源：世强

技术问答

基于硅材料的二极管被广泛用作保护或者整流元件，当二极管用在大功率电路，电流达到5A 以上往往需要轴向二极管，我们常用的方法就是把轴向产品的引线进行弯脚成型，以便通过波峰焊焊到我们PCB板或接头处。为了确保这些设备的安全运行，我们需要非常精确掌握二极管热特性，热特性容易令二极管的规定的参数出现变化。对于我们使用或设计人员并希望看到这种情况。本文我们首先说明二极管的热特性，然后再通所讲热特性参数来正确推导结温，最后我们提出如何尽可能降低结温提高产品寿命的建议。

1.二极管的热特性：

当我们给二极管正向导通电流IF时，此时二极管便产生正向导通电压VF同时也会产生功耗：

PV = IF * VF (1)

功耗产生主要来自于二极管PN结，该功耗完全可以令到该二极管内部晶圆失效。因此，二极管制造商将会在规格书内给最大可以承受的结温温度。

测试结温Tj是十分复杂以及对测试设备也是很苛刻的，然而对于绝大部分应用电路，我们是可以通过等效电路进行精确的估算的，如下图所示：

通过大家都熟悉的欧姆定律：当电流I流过电阻R时就会产生压降V, 我们是可以通过如下欧姆定律展示出来这三者关系:

V = R * I

简单来讲，当热电流或者功耗都会令到热阻Rth 的温度出现变化ΔT，这三者关系是：

ΔT = R_th * P_V

在轴向引脚的二极管，大部的热量= 热功率PV都会通过本身有着非常低热阻的金属引脚传递耗散的。二极管内部只有较小一部分热阻是通过塑料外壳进行耗散，大部分的热量都是通过金属引脚进行传递耗散的。因此，我们最简单测量的热阻方法就是测引脚上的温度，结温Tj可以通过如下公式计算：

Tj = TL + ΔTL = TL + RthL * PV (2)

产品规格上有标明RthL引脚热阻，DIOTEC（德欧泰克）所有轴向二极管产品的RthL引脚热阻都是在离塑料外壳3mm的位置测量出的。

如上图所示当产品给连接上无穷大的散热器时，此时散热器周围温度我们称为TA，热阻Rthx包括通过流过二极管引脚所有热阻与引脚连接到散热器周围环境热阻。当我们测量出TL时，TA也就是环境温度，这样Rthx就可以通过如下公式计算出来。

R_thX = ΔT_X / P_V = (T_L – T_A) / P_V

德欧泰克的规格书与其他竞争对手的规格书都会把RthA的值写出来。实际该值是引脚在塑封外到无穷大的散热器的距离为10mm这段距离测量出来的。该值也确实可以通过测量温度的设备测量出来。在一个理想的二极管，规格上所给出的RthA值都会考虑到两边引脚连接到一个任何型状的的散热器。

根据上述所讲公式，在最恶劣条件下，在环境温度75°C下，向光伏模块的二极管施加短路电流ISC@1小时，在此时测试的Tj将会是极限值。根据公式（1）与公式（2），总结起来总的结温计算方法如下：

T_j = T_Case + R_thCase * V_F * I_SC

我们测量正向导通VF压降是二极管内部热量稳定时进行测量的。 ISC是光伏模块的短路电流，如下是关于T_Case 与 R_thCase 定义的详细说明。

2. T_Case 与 R_thCase正确定义:

原始二极管的封装都是金属的，如DO-4如下图1，因此，热阻参数RthC=“热电阻连接到外壳”的测试点设置都是在金属外壳的边上。

正在前期我们所讲，在轴向引线二极管，相关热阻参数其中之一也是来从引线- Rtl，见图3，塑料外壳的也有很高热阻，但是对测量来讲不准确。

因为所有热量都会通PN结的中间位置通过引脚已经向外扩散。因此，在轴向封装产品，引脚的温度TL (德欧泰克是规定在引脚的3mm处进行测量，通过笔者多年测量的经验，3mm处是较为准确的) 相对于在产品表面“T_Case” 准确。所以计算产品热阻高低时，应该使用规格书RthL值作为参考，而不是参考R_thCase值。

3. 如何减少热阻

从上面的第1个图，很显然知道结温的温度减少由RthL与RthX减少而决定。同时我们也知道热阻跟热传递的物体横截面有关系，综合以上两点，德欧泰克开发出来全新的X系列轴向产品，专门为了降低RthL。该X系列把引脚的直径从1.2mm增加1.6mm，目前有两个封装规格：轴向 5.4*7.5 ，8*7.5 。在同样尺寸晶圆芯片的情况，德欧泰克的X系列封装产品可以把RthL从4K/W降到2K/W。详细看图SB2040 VS SBX2040热阻与引线距离对比数据图（再次强调，测试热阻的距离点是离产品本体距离为3mm）。如下是X产品详细型号以及封装图：

肖特基二极管
Part no	Package	I_FAV	V_RRM	RthL
SBX2040	轴向 5.4*7.5	20 A	40 V	< 2.1K/W²
SBX2045	轴向 5.4*7.5	20 A	45 V	< 2.1K/W²
SBX2540	轴向 8*7.5	25 A	40 V	< 2.1K/W²
SBX2550	轴向 8*7.5	25 A	50 V	< 2.1K/W²
SBX3040	轴向 8*7.5	30 A	40 V	< 1.9K/W²
SBX2050	轴向 8*7.5	20 A	50 V	< 2.1K/W²

超快恢复高效二极管
Part no	Package	I_FAV	V_RRM	RthL
FX2000A	轴向 8*7.5	20 A	50 V	1.5K/W²
FX2000B	轴向 8*7.5	20 A	100 V	1.5K/W²
FX2000D	轴向 8*7.5	20 A	200 V	1.5K/W²
FX2000D	轴向 8*7.5	20 A	400 V	1.5K/W²

快恢复二极管
Part no	Package	I_FAV	V_RRM	RthL
FX20K120 @Protectfilers	轴向 8*7.5	20 A	120 V	< 1.5K/W²
FX20K150 @Protectfilers	轴向 8*7.5	20 A	150 V	< 1.5K/W²

普通整流管
Part no	Package	I_FAV	V_RRM	RthL
PX1500A	轴向 8*7.5	15 A	50 V	2.0K/W2
PX1500B	轴向 8*7.5	15 A	100 V	2.0K/W2
PX1500D	轴向 8*7.5	15 A	200 V	2.0K/W2
PX1500G	轴向 8*7.5	15 A	400 V	2.0K/W2
PX1500J	轴向 8*7.5	15 A	600 V	2.0K/W2
PX1500K	轴向 8*7.5	15 A	800 V	2.0K/W2
PX1500M	轴向 8*7.5	15 A	1000 V	2.0K/W2

RthX值正常来讲都是比较大的，该值对Tj有相当大的影响，引线的热阻是与随着引脚增长而增加，图4是热阻与长度关系，所以笔者建议二极管本休外的引脚尽可能与PCB板的孔的距离尽可能缩短，特别是在弯脚成型时，详细可以参考笔者另一篇文章：【经验】以插件二极管UF5407为例说明弯脚成型的应力损伤的失效情况和固定建议。

别外当我们二极管还没有焊上PCB板时，我们简单测量RthX & Tj时我们应该选择较大夹子与焊接线进行夹牢固以及焊上（保证不能虚焊），这时候测量出来才是真正产品的RthX and Tj 。

当我们选择功率器件的二极管时，我们设计电路时，应该尽可能把这些功率封装（TO-220 D2PAK ）金属背面可以直接紧贴上散热器，因为这些功率封装的优势就是金属较大，这更容易把晶圆的结温更好通过金属背面的散热器把热量传递出去。此时我们测量正常测试“TCase”=TC和“RthCase”=RthC 时应该测量产品金属背面，而不是去测量产品的塑料外壳。

最后附上德欧泰克有轴向产品与功率产品电子版手册供大家参考，欢迎各位设计人员申请德欧泰克大电流高压二极管样品。目前德欧泰克所有产品交期是8-10周。世强的样品仓库有超过1000个型号的样品免费申请；

轴向产品电子版手册-->德欧泰克轴向产品电子版手册

功率产品电子版手册-->德欧泰克功率产品电子版手册

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ACE Lv7. 资深专家 2020-02-24

学习了

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