功率器件温度变化下电学特性测试：保障性能与可靠性的关键

发布时间: 2025-09-28 浏览次数： 次

       在功率电子领域，温度是所有设计工程师的核心考量因素。功率器件的温度特性直接决定了整个电子系统的性能、效率和可靠性，测试温度特性不仅是预防热失效的必要手段，更是优化系统设计的关键依据。

温度特性测试对于功率器件的可靠运行和长期稳定性至关重要。据统计，电子设备的失效有55% 是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。功率器件在工作时会产生大量热量，若散热能力有限，则会导致器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使其可靠性降低，无法安全工作。

1 温度与功率器件可靠性的关系

功率器件的可靠性与其工作温度密切相关。结温（Junction Temperature）是电子设备中半导体的实际工作温度，在操作中，它通常较封装外壳温度（Case Temperature）高。为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max，这个值是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。

功率半导体在工作过程中会因功率损耗而产生热量。这些热量必须通过散热途径有效地散发到周围环境中，否则会导致器件温度持续上升，最终超过安全结温而造成永久性损坏。不同的半导体材料具有不同的温度耐受特性：

硅（Si）器件：传统硅基功率器件的实用极限结温一般为150-200℃

碳化硅（SiC）器件：由于具有宽禁带特性，SiC器件原理上结温超过500℃仍能正常工作

氮化镓（GaN）器件：同样为宽禁带半导体，也能在300℃以上的高温条件下工作

2 温度对功率器件性能的影响

温度变化会直接影响功率器件的多项关键性能参数，了解这些影响对于设计高效可靠的功率系统至关重要。

2.1 开关特性变化

温度升高会导致载流子迁移率降低，从而使功率器件的开关速度变慢。这表现为：

开关损耗增加：开通和关断过程变缓，每次开关过程中的能量损耗增加

工作频率限制：在高频应用场景下，温升会限制最大可用开关频率

EMI特性变化：开关速度变化会影响电磁干扰特性

SiC功率器件由于其高导热系数（硅的3倍），在高温下仍能保持较好的开关性能，降低了开关损耗。

2.2 导通特性变化

温度对导通特性的影响较为复杂，对不同技术的影响也不尽相同：

IGBT：通态压降通常具有负温度系数，高温下导通压降降低，可能导致电流集中和热失控风险

MOSFET：通态电阻具有正温度系数，高温下电阻增大，具有自均流特性，有利于并联操作

SiC器件：通态电阻的温度系数相对较小，高温性能更加稳定

2.3 阈值电压变化

几乎所有功率器件的阈值电压都随温度升高而降低，这会导致：

导通更容易：较低的门极电压就能使器件导通

抗干扰能力下降：容易因噪声误导通，造成桥臂直通风险

驱动设计挑战：驱动电路需要考虑到整个工作温度范围的变化

2.4 体二极管特性变化

集成在功率器件中的体二极管特性也随温度变化：

反向恢复特性：反向恢复时间和反向恢复电荷通常随温度升高而增加

导通压降：二极管正向压降通常随温度升高而降低

表：温度对各类功率器件关键参数的影响趋势

3 功率器件温度测试的关键参数与方法

PHS 功率半导体高温测试系统（Power Semiconductor High-Temperature Testing System），专为功率半导体器件（如 IGBT、SiC Mosfet）及功率模块的老化测试、可靠性验证等用途设计，支持快速温度变化与长时间恒温测试。系统集成高精度加热单元 TCU 与智能温控算法、安全测试夹具与保护罩、半导体参数分析仪，确保广泛的电学测试过程中温度均匀性与稳定性（±0.2℃以内），并兼容多种标准工装夹具，满足 TO-247 封装至六合一大功率模块的测试需求。智能在不同温度环境下对功率半导体进行精准的电学性能的测量，并一键输出专业的Datesheet 报告。

PHS系统实际测试150℃下Si器件的击穿电压

高温测试夹具集成度高体积小巧，可垂直夹在Device封装上，用“炉笼”式加热法，不干扰测试回路，不接触Device引脚。

双脉冲动态测试实际运用场景

搭配岩崎曲线图示仪静态测试场景

THF夹具三重防护，安全无忧

硬件防护：

1.防烫外壳设计配合内部双重隔热保护、表面温度最高70℃

2.符合人体工程学‘拿取帽’设计，高温之下直接拿取夹具

3.安全结构设计，将热失控爆炸抑制在内部，防护罩更添一层保险

软件防护：

软件对加热功率限制，智能保护防止过流与热失控

流程安全防护：

配合测试仪安全联锁，测试全程电、热隔离

软件一键开始测试并输出测试报告

包含温度特性曲线、参数对比表、结论页等Datasheet级专业报告

（系统智能测试测试软件EC-200X界面）

（实际在175℃下测试三家大厂的IGBT和一家SiC MOSFET）

4温度测试在功率器件应用中的价值

功率器件温度测试的价值不仅在于防止过热损坏，还能为整个电子系统的优化设计提供关键数据支持。

4.1 可靠性保障与寿命预测

通过温度测试，可以确保功率器件工作在安全温度范围内，减少质量问题，提高电子产品的可靠性。电子设备的可靠性还同元器件、结构、装配、工艺、加工质量等有关，在实际工程应用上，还应通过各种试验取得反馈数据来完善设计，进一步提高电子设备的可靠性。

温度测试数据还可以用于寿命预测。功率器件的寿命与工作温度密切相关，根据Arrhenius模型，温度每升高10°C，器件寿命约减少一半。通过长期温度监测，可以预测设备的剩余寿命，实施预测性维护。

4.2 散热设计的优化依据

温度测试结果为散热设计提供了优化依据。通过测量功率器件在不同工作条件下的温度分布，可以针对性地优化散热器设计、风机选择、风道布局等，实现散热效果与成本的最佳平衡。

4.3 系统性能最大化

通过精确的温度监测和控制，可以使功率器件工作在最佳温度范围，既不过热影响可靠性，也不过低影响性能。在某些情况下，适当提高工作温度可能有利于降低导通损耗，提高系统效率。

基于温度测试数据，可以实施主动热管理策略，如：

功率降额：当温度超过设定阈值时，自动降低输出功率

动态频率调整：根据温度变化调整开关频率，平衡开关损耗和导通损耗

冷却控制：根据温度需求智能控制冷却系统（如风扇、水泵）的工作状态

4.4 状态监测与故障预警

温度特性可以作为功率器件状态监测的重要指标。异常温度升高往往预示着潜在故障，如：

焊接层退化：导致热阻增加，结温升高而壳温升高不明显

绑定线脱落：导致局部电流密度增加，热点形成

老化失效：器件参数退化导致损耗增加，温度异常

通过持续监测温度变化趋势，可以提前发现潜在故障，实施预防性维护，避免意外停机。

5 结语

功率器件的温度特性测试是保障功率电子系统可靠性和性能的基础工作。随着碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体技术的快速发展，功率器件的工作温度不断提高，对温度测试技术也提出了更高要求。

英飞凌、罗姆等行业领先厂商通过不断创新，开发了从芯片技术、封装工艺到热管理策略的全套解决方案，使功率器件能够在更高温度下可靠工作。然而，温度特性的精确测试和有效热管理仍然是功率电子系统设计中的关键挑战。

未来功率器件温度测试技术将朝着更高精度、更快响应和更全面集成的方向发展。在线监测、智能预测和主动热管理将成为标准功能，使功率电子系统能够在更苛刻的温度条件下可靠工作，同时实现更高的效率和功率密度。

对于功率电子工程师而言，掌握功率器件温度特性测试的原理和方法，了解最新技术发展趋势，是设计高效可靠功率系统的必备技能。只有通过精确的温度测试和有效的热管理，才能充分发挥功率器件的性能潜力，确保电子设备长期可靠运行。