一種熱阻分析方法
【專利說明】-種熱阻分析方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于器件熱特性測量領(lǐng)域，具體涉及一種熱阻分析方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 器件的熱特性測量一般在環(huán)境溫度變化不明顯的條件下進(jìn)行，測試時(shí)要求器件達(dá) 到熱平衡狀態(tài)且箱內(nèi)環(huán)境溫度變化不明顯，如將被測器件設(shè)置在靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行。 小功率器件較易實(shí)現(xiàn)上述測試條件，但對于大功率器件（如大功率L邸等），即使其能達(dá)到 熱平衡，由于其散熱量大，測試中環(huán)境溫度上升或者下降明顯，靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣無 法視為無窮大熱沉，該部分溫度的變化將在熱阻微分結(jié)構(gòu)函數(shù)上的直觀體現(xiàn)，就會(huì)出現(xiàn)若 干無法分辨的峰谷結(jié)構(gòu)，容易混淆或者錯(cuò)誤分析參考點(diǎn)所對應(yīng)的位置，導(dǎo)致不能準(zhǔn)確分辨 參考點(diǎn)，降低分析結(jié)果準(zhǔn)確度。對于某些難W達(dá)到熱平衡的大功率器件，不能滿足熱特性的 測試要求，從而無法進(jìn)行熱特性分析。
[0003] 對于大功率器件，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中雖然提及了可W通過增大靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱的體積， 即增大試驗(yàn)空間的方式，使得環(huán)境溫度變化不明顯，W較快達(dá)到熱平衡來進(jìn)行大功率器件 的熱特性測試。但現(xiàn)有文獻(xiàn)沒有給出功率與試驗(yàn)箱體積的具體對應(yīng)關(guān)系，實(shí)際操作難W實(shí) 現(xiàn)；其次，受測試設(shè)備尺寸的限制，不可能無限增大靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱的體積。例如，對于小 于3W的器件，靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱的體積一般為0. 0283m3(邊長為30. 48cm的立方體）；當(dāng)測量 100W的COB時(shí)，即使按同比例增大，靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱的體積也需要約27m3(邊長為3m的立方 體）甚至更大，一方面，如此大體積的箱體，空氣對流嚴(yán)重，無法滿足靜態(tài)空氣環(huán)境的要求； 另一方面，靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱再加上其它配套設(shè)備，整個(gè)測試系統(tǒng)的體積鹿大，且熱平衡時(shí)間 也較長，用戶一般難W接受。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供了一種熱阻分析方法，該方法創(chuàng)新性 地提出準(zhǔn)熱平衡的概念，在不改變靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱的體積的前提下，即可實(shí)現(xiàn)大功率器件 熱阻信息的快速、準(zhǔn)確分析，可廣泛應(yīng)用于各種大功率器件的熱特性測試，具有高效、快速、 適用范圍廣等特點(diǎn)。
[0005] 本發(fā)明通過W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種熱阻分析方法，其特征在于，包括被測器件，選定被測器件的參考點(diǎn)，在初始 熱平衡狀態(tài)下改變被測器件熱源的輸入功率，同步監(jiān)測被測器件的熱源溫度和參考點(diǎn)溫 度，直至熱源與參考點(diǎn)的溫度差達(dá)到穩(wěn)定，即達(dá)到準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)，測量達(dá)到準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)前 的熱源和參考點(diǎn)的溫度W及相應(yīng)的輸入功率，根據(jù)測得的熱源溫度、參考點(diǎn)溫度和輸入功 率數(shù)據(jù)，通過計(jì)算獲得被測器件中各組成部分的熱阻信息。
[0007] 本發(fā)明中，初始熱平衡狀態(tài)，是指大功率器件改變輸入功率前的熱平衡狀態(tài)；終態(tài) 熱平衡狀態(tài)，是指大功率器件改變輸入功率后達(dá)到的熱平衡狀態(tài)；準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)，是指大功 率器件改變輸入功率后、終態(tài)熱平衡前，且其熱源和參考點(diǎn)溫差穩(wěn)定的狀態(tài)，因而大功率器 件達(dá)到準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)的時(shí)間，在很多情況下，達(dá)到準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)的時(shí)間要大幅小于其達(dá)到 終態(tài)熱平衡的時(shí)間。
[0008] 本申請人通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度變化明顯的情況下，例如大功率器件位 于有限大小的靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱內(nèi)，雖然大功率器件的整個(gè)測試系統(tǒng)較難達(dá)到終態(tài)熱平衡狀 態(tài)，但大功率器件的熱源與某一指定的參考點(diǎn)的溫度差僅需較短時(shí)間即可穩(wěn)定，即達(dá)到準(zhǔn) 熱平衡狀態(tài)，準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)是指：從熱源到參考點(diǎn)的溫度變化趨勢相同，即指定區(qū)域內(nèi)的溫 度差穩(wěn)定。相比于需要整個(gè)測量測試系統(tǒng)達(dá)到終態(tài)熱平衡狀態(tài)的傳統(tǒng)分析方法來講，由于 準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)僅需要溫度差穩(wěn)定即可，大功率器件一般僅在較短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到準(zhǔn)熱平 衡狀態(tài)，再經(jīng)過較長時(shí)間，才能達(dá)到終態(tài)熱平衡狀態(tài)。也就是說，準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)是達(dá)到終態(tài) 熱平衡狀態(tài)的中間過程，大功率器件達(dá)到準(zhǔn)熱平衡的穩(wěn)定時(shí)間小于其達(dá)到終態(tài)熱平衡的穩(wěn) 定時(shí)間，因此，相比于傳統(tǒng)分析方法，該技術(shù)方案可大幅縮短大功率器件的熱阻分析時(shí)間， 提局測試效率。
[0009] 準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)包括兩種狀態(tài)，一種是熱源溫度和參考點(diǎn)溫度的變化趨勢相同且差 值穩(wěn)定的狀態(tài)；另一種是所述的熱源溫度和參考點(diǎn)溫度均達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。前者是大功率 器件的典型狀態(tài)，在實(shí)際測試中，絕大多數(shù)的大功率器件均處于該狀態(tài)。在準(zhǔn)熱平衡狀態(tài) 下，熱源和參考點(diǎn)的溫度差達(dá)到穩(wěn)定，從熱源到參考點(diǎn)的熱阻信息已基本穩(wěn)定，該部分熱阻 信息對于被測器件整體的熱阻信息的貢獻(xiàn)已可忽略不計(jì)，即從熱源到參考點(diǎn)的熱阻信息主 要取決于準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)前的熱源溫度、參考點(diǎn)溫度W及輸入功率數(shù)據(jù)上，在穩(wěn)定時(shí)刻后的 熱傳導(dǎo)時(shí)間內(nèi)，熱阻信息的變化主要由參考點(diǎn)至無窮大熱沉的熱阻信息所貢獻(xiàn)。因此，采用 準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)來分析從熱阻到參考點(diǎn)的熱阻信息，既大幅降低了測量時(shí)間，也確保了測量 準(zhǔn)確度。
[0010] 本發(fā)明中的熱源可W是器件實(shí)現(xiàn)自身功能必不可少的一部分，即為器件的內(nèi)部組 成，如LED的PN結(jié)，也可W是專口為測試而設(shè)置的外部加熱部件。本發(fā)明中熱源輸入功率 的改變可W是從某輸入功率到另一恒定輸入功率，例如從零輸入功率到某一輸入功率或者 從某一較大功率改變到某一較小的輸入功率(甚至為零輸入功率）；此外，輸入功率是隨時(shí) 間變化的，例如從零輸入功率按照某預(yù)定規(guī)則巧日斜率固定）持續(xù)增加的輸入功率，或者按 照某預(yù)訂規(guī)則持續(xù)減小的輸入功率。熱源和參考點(diǎn)的溫度可W是通過直接的溫度傳感器來 測量，也可W是通過被測器件本身所固有的溫度特性來測量，例如，被測器件為LED,可利 用其PN結(jié)的結(jié)電壓來測量PN結(jié)的溫度。
[0011] 綜上，本發(fā)明公開的技術(shù)方案，適用于環(huán)境溫度變化明顯的熱阻信息的準(zhǔn)確分析， 在不改變靜態(tài)空氣試驗(yàn)箱的尺寸W及不延長測試時(shí)間的前提下，實(shí)現(xiàn)大功率器件從熱源到 參考點(diǎn)熱阻信息的準(zhǔn)確分析，可廣泛應(yīng)用于各種大功率器件的熱特性測試，具有準(zhǔn)確、高 效、快速、適用范圍廣等特點(diǎn)。
[0012] 本發(fā)明可W通過W下技術(shù)方案進(jìn)一步完善。
[0013] 作為優(yōu)選，建立被測器件從熱源到無窮大熱沉的熱傳導(dǎo)模型，根據(jù)獲得被測器件 各組成部分的熱阻信息，進(jìn)一步計(jì)算獲得被測器件的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)，所述的熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù) 包括微分結(jié)構(gòu)函數(shù)和積分結(jié)構(gòu)函數(shù)。目前，熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)是熱阻分析結(jié)果的常用的表達(dá)方 式，熱阻結(jié)構(gòu)函數(shù)是指熱源至熱流路徑上各點(diǎn)處的累積熱容隨累積熱阻的變化數(shù)據(jù)，積分 結(jié)構(gòu)函數(shù)為累積熱容隨累積熱阻的變化關(guān)系，微分結(jié)構(gòu)函數(shù)為積分結(jié)構(gòu)函數(shù)對累積熱阻的 一階導(dǎo)數(shù)。所述的累積熱容為熱源至熱流路徑各點(diǎn)的熱容之和，所述的累積熱阻為熱源至 熱流路徑各點(diǎn)的熱阻之和。獲得的被測器件各組成部分的熱阻信息可為瞬態(tài)熱阻，所述的 瞬態(tài)熱阻是指熱源與參考點(diǎn)的溫度差與輸入功率之間的比值，如上文所述，可獲得準(zhǔn)熱平 衡狀態(tài)前的瞬態(tài)熱阻變化曲線，在達(dá)到準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)后，從熱源到參考點(diǎn)的熱阻結(jié)構(gòu)對瞬 態(tài)熱阻變化曲線的貢獻(xiàn)已可忽略不計(jì)，即從熱源到參考點(diǎn)的熱阻結(jié)構(gòu)信息主要集中體現(xiàn)在 準(zhǔn)熱平衡狀態(tài)前的瞬態(tài)熱阻變化曲線上，在穩(wěn)定時(shí)刻后的熱傳導(dǎo)時(shí)間內(nèi)，瞬態(tài)熱阻變化曲 線的變化主要由參考點(diǎn)至無窮大熱沉的熱阻結(jié)構(gòu)信息所貢獻(xiàn)；根據(jù)上述的瞬態(tài)熱阻變化曲 線，建立大功率器件從熱源到無窮大熱沉的熱傳導(dǎo)