首先解釋一下正溫度係數和負溫度係數的區別。維基百科(Wikipedia)對兩者的區別做出了很好的解釋。下面是一些基礎知識:

˙如果一個元件的電阻隨著溫度的上升而減小,那麼這個元件就具有負溫度係數; ˙如果一個元件的電阻隨著溫度的上升而增加,那麼這個元件就具有正溫度係數; ˙在電阻與溫度關係圖中很容易看出溫度係數的正負極性。隨著溫度的上升,正斜率指示的是正溫度係數,負斜率指示的是負溫度係數。

本文將討論流行的功率半導體的溫度係數及其在電路中的正確處理。維基百科對半導體溫度係數有權威描述。

半導體電阻的負溫度係數

半導體材料溫度的上升將使載流子濃度提高,這將導致更多數量的載流子複合,從而提高半導體的電導率。電導率的提高使半導體材料的電阻隨溫度上升而變小,形成電阻的負溫度係數。

對於基礎半導體理論,特別是基於結點的元件,比如雙極性接面型電晶體(BJT)和二極體,這是完全正確的。然而,像金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)和絕緣柵雙極電晶體(IGBT)等元件事實上有電阻性溝道,會影響溫度係數的行為。

在工程技術學校,半導體理論總是從半導體結點產生的具有不同p和n濃度的能隙開始講起。透過將能量注入半導體,電子獲得熱能,進而補充電子能量,這樣傳導時就要求更少的正向偏置電流。同樣,當阻斷電壓時,二極體結點的漏電流隨溫度上升而增加。在一個功率因數校正電路中,我首次親眼看到一些600V矽肖特基二極體(Schottky Diode)開始碎裂,隨著它們的快速擴張,波形呈熔岩燈式般地擴張。幸運的是,在危險發生之前我切斷了電路。只要提一下,摩托羅拉(Motorola)不再展開半導體業務就能夠理解了。以下來看圖吧。

從圖1中可以看出,正向電壓隨溫度上升而下降。正向電壓的這種改變是可預測的,因此經常作為測量獨立元件結點溫度的一種方法。

20170915TA01P1 圖1 正向電壓隨溫度上升而下降。

前面提到的溫度係數趨勢與矽有關。碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等較新材料的溫度變化與矽有很大區別。

至於MOSFET,它們有著如圖所示的正溫度係數,其中的Rds(on)隨溫度上升而增加,這是由MOSFET基底本身的電阻和元件的厚度造成的。更厚的元件可以承受更高的電壓,因此具有更高的導通電阻。

20170915TA01P2 圖2 導通電阻v.s.柵-源電壓。

MOSFET電阻隨溫度上升而增加並不全是壞事。它能幫助平衡並聯MOSFET之間的電流,因為電流總是流向具有最小電阻的路徑。

IGBT其實是一種介於BJT和MOSFET之間的混合元件。IGBT的IG或絕緣閘極部分指的是觸發元件的MOSFET;BT指的是雙極電晶體(實際上是其中兩個),用於傳導大部分電流。從圖3的IC與VCE圖中的IGBT曲線可以看出這一點,它不像MOSFET那樣提供基於電阻的圖形,並請注意斜率改變處的交叉點。

20170915TA01P3 圖3 IC與VCE圖中的IGBT曲線。

銅具有正溫度係數,其電阻隨著電流的增加而增加。以下是從參考文獻中引用的一段文字,它對此進行了很好的闡述:

「對導體而言,當溫度上升時電阻會增加,因為電子與振動原子碰撞得更頻繁。這會減少電子的漂移速度(因此電流會減小)。所以導體電阻具有正溫度係數。」

來自主要功率電路元件的溫度係數影響會提高或降低效率。此外,它們會改變元件的溫升。理解這些行為將有益於設計的可靠性和性能。