1
溫升試驗研究
摘要：本文介紹了電器產品溫升試驗的目的、方法及相關熱評估標準，并對溫度降額設計進
行了相關闡述。
關鍵詞： 溫升試驗 熱評估
Abstract：This article introduces the objective、methods and correlative thermal evaluations of
E/E products. The temperature derating guideline of E/E products was expatiated in
this paper also.
Key words：Temperature Rising Measure Thermal Evaluations
1 簡介
溫升是產品安全性能的重要指標之一。在安全試驗中，溫升測量是不可或缺的一環。一
般而言，溫升值不受環境溫度的影響
實驗證明，對于某一具體產品來說，其溫升是固定的，不會隨產品使用的環境溫度變化
而變化。產品溫升的固定性在安全試驗中具有重要的意義。
在GB4943－1995 標準中，對某些試驗規定了最高溫度（Tmax）或最大溫升(⊿Tmax)限值
作為合格的標準，這些標準是基于產品工作時，環境溫度為25℃的假設而作出的，但是，
如果制造廠規定了較高的工作環境溫度（Tmra）,則合格標準也應作出如下調整：
實際溫升: ⊿T=(T‐Tamb)≤(Tmax ‐ Tmra)；或⊿T=(T‐ Tamb)≤(⊿Tmax +25‐ Tmra)。式中Tamb 為試
驗期間的環境溫度，T 為實際產品測試溫度。
例如，在上述標準的5.1 中規定, “可觸及的產品外表面”最高溫升為70K,它是基于環
境溫度為25℃的假設而作出的。如果制造廠規定其產品的使用環境溫度可達40℃，那么，
“可觸及的產品外表面”的最高溫升應作出如下調整：
⊿Tmax （新）=⊿Tmax +25‐ Tmra =70+25‐40=55K
因此，此時溫升的判定標準是55K，實際溫升⊿T 應不超過55K 而不是70K。其它部
位的溫升判定標準可依此類推，作出相應的調整。
2 產品評估目標
下表 1 所示列出車載電氣和電子產品溫升試驗評估目標。在溫升試驗評估之前產品工程
師或團隊應該確認試驗條件和產品的設計特征，確認的對象包括其部件和材料。然后依次對
每一個特征進行評估。
2
表1 不同產品溫升試驗評估目標
序號 適用范圍 評估的目標
1 自行發熱的產
品、被周圍發
熱體影響的產
品
鑒定熱效應的評估：確定車用電器及電子產品在車輛中的穩定狀態和
最高的溫度。評估所有的熱源（環境、來自其他部件、自行發熱）。伴
隨著運行中的負載條件，這些都會對熱產生影響。
注意事項：
僅在以下情況下需要對自行發熱進行評價：
1）提高產品內部溫度在最高室溫之上，且≥10℃。
2）在半導體內結點溫度接近他們最大額定的溫度（例如：125℃對于
額定值是150℃）。
3）材料的溫度接近最大額定溫度（10%以內）
局限性：不評估車輛的日光熱量的太陽溫度（車輛日光熱量應被包含
在車輛內部溫度規范中），產品的日光熱量應獨立分析，并記錄在產品
的評估規范中。
2 與使用者直接
或間接接觸的
產品
產品使用接觸面評估：在極端溫度下，需評估與使用者接觸時人為因
素的影響。包含：控制開關、把手、獲得數據來自看得見或聽得見的
產品，需確保接觸的表面摸起來不會很熱。使用者接觸溫度代替了環
境或者儲存溫度。
除非其他的特殊的用處，在室溫℃下，溫升>50℃（122°F）會讓人感
覺接觸起來不是很舒服，溫升>65℃（149°F）為一個可能會燒毀皮膚
溫度。GB4943－1995 標準規定可觸及的產品外表面最高溫升為70℃。
3 所有產品 電氣功能、性能評估：在極限溫度時評估關鍵電路性能（應用軟件處
于工作模式）、電路的熱分析或模擬的結果。在相同情況下進行室溫性
能評估。包括視覺、聽覺、相關的機械或電子機械性能，例如開關，
繼電器，電機等。
例：一個電子產品設計為5 瓦功率。在“鑒定熱效應”的評估中發現，
由于熱量傳遞使得該產品內部達到了最高環境溫度+30℃。對于在
85℃下運行的產品，為了得到一個真實的數據，應該在115℃下評估
其電氣性能、功能及耐久性。
注意：產品在極端環境下的正常工作不代表產品可以在溫度區間之內
或溫度轉變之時正常工作。故試驗需結合動態溫度進行熱評估。
注意：硬件的電氣性能評估可以獨立于軟件。
4
所有產品
可靠性評估：最嚴酷情況下熱壓力試驗，評估潛在的瞬間的溫度過熱
情形。檢測產品在一定時間期限內最嚴酷情形下的正常操作，其內部
溫度不應超過部件或材料的失效或衰弱溫度值。（例：超過了電器內部
零件的工作溫度，超過Tg 或熔點）。對于自行發熱或者受周圍熱量影
響的產品，測試在最惡劣的條件下的峰值溫度。
3
5 所有產品 耐久性評估：長時熱耐久試驗，產品或材料的使用溫度超過了設計值，
會加劇材料性能下降從而導致加速衰老。這些會引起產品早期的機械
磨損，大的冷熱溫度差異也會引起產品熱膨脹或收縮的疲勞。熱應力
數據可以被用到單獨的耐久分析或測試中。
6 模擬的需要 分析/模擬相互關系：論證CAE 模擬與實際情況的相關性，進行人工熱
性能計算，或者對于通過熱特征計算熱性能。
3 試驗方法
3.1 測試部位
下面的熱測試點或區域是被推薦采集的。
1） 箱內空氣溫度。
2） 產品內部空氣溫度（采集最好是靠近產品中心位置、微處理器、信號電路）。
3） IC 器件表面溫度Tc：任何微處理器、大型集成電路、高能量集成電路。
4） 功率器件表面溫度Tc：功率器件、功率驅動IC。
5） 電路板的預期最低區域溫度
6） 其他能產生有用信息的內部組件的溫度（例：新IC，動力二極管、平穩電阻、傳感器、
電機或勵磁線圈）
7）控制器表面溫度（能夠被乘客觸及到的把手、按鈕、開關或者暴露的表面）。需保證自熱
不可以超過規定的接觸溫度。
產品實際采集案例見圖1 。
圖1 典型的紅外和熱電偶采集示意圖
4
3.2 負載情況
除非另外說明，一般從表2 中選擇相關的負載條件，以保證測試、模擬的準確性。為了
讓產品承擔更多能量，獲取及確認其熱性能越來越重要。選擇適當的負荷狀態對準確評估至
關重要。電子產品需評估以下熱性能：
1）產品的瞬間加載。
2）產品中消散的能量。
3）產品的熱傳遞效率。
這些因素影響自加熱產品，最終影響到產品的電氣性能參數及可靠性。這些因素的控
制由設計部門保證。熱評估是對設計的驗證和改進。
表2 電氣負載條件
序號 負載類型 負載描述/評估細則
1 持續工作，
穩定狀態的
負載
給產品連續通5 分鐘以上重負荷，對自熱意義重大。產品帶載時
的電氣性能及溫度效率是關鍵。
產品用在不同車型上會有不同的負載類型，在同一車型上也會有
多種負載的組合。單電路的熱評估應在最嚴酷的情形下進行，多
負載工作見3，如果產品在最嚴酷情況下溫度超標，則需要考慮
設計一個更有效的電路或者提高產品的熱傳遞特性。
2 由電磁繼電
器和開關控
制的負載
電磁開關或繼電器控制的負載比直接由功率晶體管FET 控制負載
方式產生更少的熱。
因此，這些產品的負載條件通常是高于通過功率晶體管直接控制
的負載。不過，需要激活繼電器的線圈端（無論是內部還是外部
的）。
3 同時工作的
負載
自行發熱產品的準確熱評估需同時加適合的負載。通過控制器同
時加載不同的負載可以增加總消耗能量，尤其當功率驅動器電路
組件集中在一個小區域時。這比給功率驅動的通以設計負載，產
生更高的溫度。
最簡單的評估是在最高溫度下，最大電壓下給產品各持續負載同
時加載。對于大多數產品，尤其是在發動機罩下的重負荷產品。
這種方法是最基本的。但是對于輕負荷產品，這些是不夠的。
對于輕負荷產品，同時加載測試的結果，與產品可靠性及壽命測
試無很大相關性。給產品加以最大負荷而非實際的負載，會增加
產品不必要的成本，品質過剩。
如果不可能預估實際的負載狀態，以下將提供4 個測試模型（針
對于并行的持續負載類型）。測試時從下列中選擇，同時加載是最
適合的方式。如果最嚴酷的情形，不是最大負荷、重負荷或中負
荷模式，則由產品設計團隊自行設計加載。
3‐A‐最大負荷模式：所有連續負載同時工作。
5
3‐B‐重負荷模式：取所有連續負載85%值，同時工作。
3‐C‐中負荷模式：取所有連續負載70%值，同時工作。
3‐D‐自定義模式：根據使用情況，由產品設計團隊定義。
4 連續的動態
負載和循環
負載
產品工作時負載是動態的；例如尾燈和脈寬調節（PWM）的三極
管。 對于此類產品推薦施加最大等效能量的持續負載。
5 電機負載 電機的電流隨著機械負荷的增加而增加（例如刮水器電機在刮片
推動著大量的雪或在干燥玻璃表面啟動時會消耗更多的電流）。因
此，測試電機或其電路板的電氣性能及熱效應時采用空載是不真
實的、不恰當的。
電機電路的熱評估需給電機滿負荷工作或模擬最大負荷。在正常
電壓下給電機通以兩倍的額定負載，是一個用來考核電機耐久的
測試。
另一個高電流的情況是電機突然拋載失速。這會對電機和控制器
產生非常高的熱效應。對于失速情況下的熱評估推薦方法是在正
規的電壓下電機運行15min，然后失速。此類情況是在電機帶有
中度或重度負載時出現。除非有特殊要求。每次測試僅針對一路
電機負載進行拋載失速測試。
6 短時間的瞬
間負載
持續時間短，非周期性負載：例如門鎖、窗鎖，持續時間小于30s，
基本沒有什么熱效應。因此，對于此類產品評估熱效應價值不大。
7 隨溫度變化
的負載
一些負載，特別是阻性負載，隨著溫度變化而變化。
（例如：繼電器在冷態時工作電流為200mA，由固態電源提供給
繼電器）。然而，當繼電器熱態時僅為150mA，為冷態電流的75%。
假設14.5V 的供電電壓，產品的電壓降為2.0V（其中12.5V 提供
給繼電器）。因此，在熱評估中，150 mA 通過這個產品，產生了
0.3W 的熱量。如果這個產品的熱評估是不正確的（使用200 mA
進行評估），就會計算出0.4W 的熱量（會多計算1/3 的熱量）。
此類“過測試”參數，會隨著輸出的增多而增多。（如果一個產品
有10 路以上規格繼電器，能量計算將是4.0W 替代3.0W。）這會
導致一個重要的但又無意義溫升，這會導致不必要的設計更改及
花費。如果電壓降和電流隨著溫度升高而增大，產品的“測試不
足”現象也會發生。
與產品一樣，負載可能在車輛的不同的部位。不能保證控制器和
負載一直在同樣的環境溫度下。因此，一個適當的熱評估應根據
負載所處部位的溫度范圍選擇相應的電氣參數。
6
3.3 試驗程序
電子產品的熱評估，主要有4 類試驗類型：低溫熱評估、高溫熱評估、室溫熱評估、最
嚴酷工況熱評估，低溫熱評估也即為我們目前開展的低溫工作試驗，高溫熱評估為高溫工作
試驗，室溫熱評估也即我們一般意義上的溫升試驗，最嚴酷工況熱評估，此項試驗我們暫未
開展，下面主要給大家介紹室溫熱評估和最嚴酷工況熱評估方法。
3.3.1 室溫熱評估目的：此試驗是為了計算在室溫中最嚴酷情形下產品的自熱性能，以確
保產品性能及提供熱模型相關數據。程序：見表3。
表3 產品室溫評估程序
步驟 室溫熱評估程序
1 試驗前，將樣品及其包裝在室溫中保溫30min 以上。
2 在產品工作之前，記錄產品的溫度信息，車內產品需要在室溫中存儲2h 以
上，發動機罩等部位需存儲4h 以上。
3 使產品在最大負荷或重負荷下工作。在產品正常工作后，以≥1 次/min 記錄
產品的溫度直至產品溫升穩定（溫度變化≤0.2℃/min） 。記錄產品的輸入
輸出等信息，通過電壓、電流計算產品的熱損耗，記錄最終的熱平衡溫度及
時間。
4 如果產品有可能被車輛使用者觸摸到的表面（例如開關，把手或按鈕）。確
保這些表面的溫升不會超過50℃（如果沒有其他特殊要求）。包括但不限于
后燈或其他內部光源的影響。
3.3.2 最嚴酷工況熱評估
目的：試驗是為了驗證產品在最高工作溫度下，間歇性滿負荷工作的性能。模擬在高溫
天氣遠程遙控啟動車輛。模擬在高溫天氣熱重啟車輛。程序：見表4。
表4 產品最嚴酷工況熱評估程序
步驟 最嚴酷工況熱評估程序
1 將產品按照實車安裝狀態，存儲在規定的溫度中（內部產品一般85℃，發動
機艙部位產品一般105‐125℃，具體見產品規定）。
2 在產品工作之前，將產品溫度穩定至設定值。
3 給產品通16.0V，最大負荷工作，記錄產品的各項電氣性能指標，以≥4 次/min
記錄各部位溫度。一般情況下產品工作至少超過30min，或者連續遠程遙控3
個最大循環以上。
注意 此試驗不適合用于評估產品的長期的耐久或疲勞。
3.4 產品驗收的標準及相關指南
表5 為電子產品的電氣功能、性能、熱評估標準。對于不能滿足評估標準的產品，需要
開展以下工作：
1）降低產品的工作環境溫度。例如：換一個安裝位置、使用冷卻、使用熱屏蔽等措施。
2）降低產品的自發熱。例如：使用高效電路降低能耗、設計更好的冷卻系統。
3）提升產品的熱性能。例如：選擇耐高溫器件或材料、加入抗高溫材料。
4）當使用溫度接近或超過材料限制的溫度，引起材料的耐久性下降，加速材料的性能老化。
前面三類措施都不能起作用。需要通過更多的驗證來改進產品，例如：使用CAE 模擬、加
速老化試驗等。
7
表5 電子產品的電氣功能、性能、熱評估標準
標準 電氣功能、性能、熱評估標準
1 產品應該在設計的工作溫度范圍內正常工作。在完成這些評估的同時，
內部自行發熱的影響也是包含在內的。因此，產品需在設計的負載下進
行評估，即便其內部溫度超過了設計的工作溫度。
外表面的溫度不能過高；外表面溫度過高當外表面溫度過高時會對使用
者造成燙傷, 同時外布線的電線電纜等碰到外表面時, 絕緣材料被損
壞, 形成觸電隱患。
2 防止長期耐久/可靠性要求的組件或材料不可以頻繁達到或超過材料溫
度極限，材料有相應的最高允許工作溫度, 通常為絕緣的耐熱溫度。在
此溫度下長期工作時, 絕緣材料的電性能、機械性能和化學性能不發生
顯著的變壞，如果超過此溫度, 則絕緣材料性能迅速變壞或引起快速老
化, 大大縮短絕緣材料的使用壽命, 嚴重時甚至引起絕緣材料著火燒
毀。
供應方決定產品的材料溫度極限。
產品在≥85%的極限溫度下工作時，其壽命及可靠性將降低≥15%。大
的溫度變化能加速產品的疲勞。
對于汽車電子/電器產品，關鍵的極限溫度為：
2a 超過固態組件的最大結點溫度，會引起操作異常，會破壞產品的操作，
或永久的削弱或組件性能。
2b 超過了電解電容的最大存儲或操作溫度。熱膨脹導致電容內部的絕緣物
質爆開并且泄露，引起電容失效或電路短路、斷路。
2c 超過焊料熔點溫度的85%，會大幅度的降低焊接的屈服和疲勞強度。這
些因素增加了產品開路的可能性。
2d 超過了塑料、環氧聚合物的軟化溫度，這將永久性降低材料的強度。當
然，聚合物的軟化溫度可以通過增加相關材料進行提升。
注意 理論上的最嚴酷情況需在報告中體現。在高溫度壓力試驗中，需考慮產
品在實際工作情況下的頻率和時間。
4 溫度降額設計
產品熱評估的目的，是為了保證產品滿足在正常情況下的使用性能，也即驗證產品的溫
度降額設計，下面簡單介紹一下電子器件的溫度降額設計。
4.1 降額設計的定義
以電源整流器舉例說明，結點溫度規定值=175℃。圖中四個區域的定義如下：
可接受的：該組件在可接受的熱力學和應力范圍內操作。對組分在這些條件下用途認為
是低風險的。
有疑問的：應進一步分析以確定是否需要在測得的溫度下運行組件。在這些區域條件下
組件的使用風險值，取決于組件上的實際應力條件。
不可接受的：該組件不應在此溫度或壓力水平下工作。在此情況下該組件為高風險。
改進的：元器件工作溫度稍高于理想熱極限溫度。在此范圍的壓力下的產品使用需要進
8
行必要的改進，在此工作范圍中使用組件通常被認為是低風險的。
通常在有疑問的區域中劃分一個次級區域“改進的區域”。此區域工作溫度可能有影響，
但壓力在可接受的范圍內。未有特殊申明，以下所有溫度測量結果都在25℃下進行。
圖2 電源整流器降額設計圖
Power Rectifier: Temperature Rating = 175C（175℃結點溫度的電源整流器）
Forward Current Stress （正向電流值）
Case Temperature （表面溫度）
4.2 二極管、三極管降額設計
下表為二極管、三極管的降額溫度設計表，圖3 為半導體的溫度降額圖。
表6 二極管、三極管的降額溫度設計表
組分分類 可接受的區域 有疑問的區域 不可接受的區域
FET < (Tj ‐50)℃ (Tj ‐50) ℃ to (Tj ‐10) ℃ > (Tj ‐10)℃
圖3 半導體溫度降額設計圖
Semiconductor Devices （半導體器件）
所有產品，結點溫度Tj =125℃（此處的Tj為器件的理論Tjmax）
所有產品，結點溫度Tj =150℃
所有產品，結點溫度Tj =175℃
所有產品，結點溫度Tj =200℃
Calculated Junction Temperature （結點溫度推薦，此處的Tj為產品工作時推薦值）
半導體器件的關鍵參數是結點溫度，其計算公式為：Tj = Tc + P×Rth(jc) 。圖4 為某車
型控制器的短路保護控制設計實例。具體詳見《短路試驗研究》部分。
其中： Tc：表面溫度
9
Tj：結點溫度
Rth(jc)：結點至表面的熱阻，可從元器件Date sheet 中查得。
1）計算MOSFET 短路時允許的瞬態溫升，因為控制器有可能是在正常工作時突然短路，所
以我們的設計應是基于正常工作時的溫度來計算允許的瞬態溫升。MOSFET 的正常工作時
結點溫度可由下式計算：Tj = Tc + P×Rth(jc)
舉例說明，假設控制器輸出功率為350W 時，并且采用同步整流技術，續流側MOSFET
的耗散功率為20W 左右，即P=20W。同時我們假設MOSFET 工作時的表面溫度Tc 為100℃
(炎熱的夏季，汽車控制器中MOSFET 的表面溫度一般都會達到此值)，則： Tj = Tc+P×Rth(jc)
= 100+20×0.45 = 109℃。
理論上MOSFET 的結點溫度不能超過175℃，所以電機相線短路時MOSFET 允許的溫
升為：Trising = Tjmax - Tj = 175-109 = 66℃
圖4 產品短路模型
2）根據瞬態溫升和單脈沖功率計算允許的單脈沖時的熱阻，由圖5 可知，短路時MOSFET
耗散的功率約為：P = Vds×I = 25×400 = 10,000W ；脈沖的功率也可以通過將圖5 測得波形
存為EXCEL 格式的數據，然后通過EXCEL 進行積分，從而得到比較精確的脈沖功率數據。
對于MOSFET 溫升計算有如下公式： Trising = P×Zθjc×Rθjc
其中：Rθjc: 結點至表面的熱阻，可從元器件Date sheet 中查得。
Zθjc: 熱阻系數
由上式變形可得: Zθjc = Trising÷(P×Rθjc) 代入數據得：Zθjc = 66÷(10,000×0.45)= 0.015
10
圖5 短路試驗信號采集
3）根據單脈沖的熱阻系數確定允許的短路時間。由圖6 最下面一條曲線(單脈沖)可知，對
于單脈沖來說，要想獲得0.015 的熱阻系數，其脈沖寬度不能大于20μs。故此產品保護控制
需要在20μs 之內將MOSFET 斷開，以免燒壞。
圖6 短路熱阻系數圖
以上可知，該控制器的MOSFET 熱降額設計參數為（選擇Tjmax=175℃）：Tj=109℃＜
125 攝氏度（在100℃下工作），短路時間≤20μs 時MOSFET 可以滿足使用。
4.3 電機、斷路器溫度降額準則
圖7為電機、斷路器溫度降額示意圖。
11
圖7 電機、斷路器溫度降額示意圖
Electromechanical Devices（電機裝置）
Measured Temperature（ 溫度測量值）
Relays （繼電器）
Fans and Blowers （鼓風機和風機）
Circuit Breakers （斷路器）
5 總結
本文主要介紹了溫升試驗的目的、方法及相關熱評估標準，為后續車用電器產品的熱評
估做參考，溫升試驗是為了驗證產品的熱設計，產品熱設計需要考慮降額設計，本文限于篇
幅未對電流、電壓、功率等的降額設計進行介紹。實際情況下，各類產品及其內部器件的溫
度由于測量方式的限制及產品類型的不同，其溫度限值的指標也不同。例如：半導體器件只
能通過測量其表面溫度Tc，再去計算Tj 的符合性；電阻、電容元件由于其重要指標為工作
溫度，故只需要測量其表面溫度Tc 或溫升Tr 即可；對于線纜、電機、PCB 等產品，只需要
測試其表面溫度Tc 即可。故各類產品溫升試驗中，溫度限值類型也有不同。

咨詢電話：186 2090 8348/020 -6628 9503
GRGT檢測中心：張工
總部地址：廣州市天河區黃埔大道西平云路163號
5 參考資料
【1】 PT&Q0203，Component Derating Guidelines FOR High Reliability Power Assemblies，
2003
【2】GMW 8288 ， 電子設備發熱量評估，2002
【3】孫建龍，安全試驗中的溫升測量，可靠性與環境試驗技術及評價 ，2002
【4】陳學武，電機的溫度與溫升，黑龍江水利科技，2005