NTC溫度傳感器測(cè)量IGBT模塊溫度

在IGBT模塊變流器裝置中，關(guān)鍵的參數(shù)之一是IGBT芯片的溫度。直接測(cè)量的辦法是將溫度傳感器安裝在芯片上或者成為芯片的一部分。如此做將會(huì)減少承載芯片電流能力的區(qū)域。一個(gè)可行的替代方案用來確定芯片的溫度，從測(cè)量基板的溫度作為一個(gè)已知點(diǎn)開始，使用熱模型計(jì)算IGBT溫度。在許多英飛凌的電力電子模塊中，通常集成了熱敏電阻，也稱之為NTC，作為一個(gè)溫度傳感器以簡(jiǎn)化的溫度測(cè)量的設(shè)計(jì)。文章來源：

 IGBT一些新封裝結(jié)構(gòu)的模塊中，內(nèi)部封裝有溫度傳感器(NTC)。如功率集成模塊(PIM)；六單元(EconoPACK)FS系列；三相整流橋(Econobridge)；EasyPIM；EasyPACK；Easybridge；四單元H-橋(Econo-FourPACk)；增強(qiáng)型半橋(Econodual+)等模塊內(nèi)均封裝有NTC溫度傳感器。NTC是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，它可以地檢測(cè)功率模塊的穩(wěn)態(tài)殼溫(Tc)。模塊內(nèi)封裝的NTC熱敏電阻參數(shù)相同。NTC是安裝在硅片的附近以實(shí)現(xiàn)緊密的熱耦合，根據(jù)不同的模塊，可將用于測(cè)量模塊殼溫的溫度傳感器與芯片直接封裝在同一個(gè)陶瓷基板(DCB)上，也可以將NTC安裝在一個(gè)單獨(dú)的基板上，大大簡(jiǎn)化模塊殼溫的測(cè)量過程，如下圖所示。

圖1 NTC inside theEconoDUAL?3 mounted on a separate DCB close to the IGBT

圖2 NTC inside a module without baseplate, mounted close to the silicon

圖3所示，NTC與IGB或二管芯片位于同一陶瓷基板上，模塊內(nèi)使用隔離用硅膠填充，在正常運(yùn)行條件下，它是滿足隔離電壓的要求。EUPEC在IGBT模塊終測(cè)試中，對(duì)NTC進(jìn)行2.5KV交流，1分鐘100%的隔離能力測(cè)試。但根據(jù)EN50178的要求，須滿足可能出現(xiàn)的任何故障期間保持隔離。由于IBGT模塊內(nèi)NTC可能暴露在高壓下(例如：短路期間或模塊燒毀后)，用戶還須從外部進(jìn)行隔離。
如圖4所示，當(dāng)模塊內(nèi)部短路過流，或燒毀的過程中連線會(huì)熔化，并產(chǎn)生量的等離子區(qū)，而連線的等離子區(qū)的擴(kuò)展方向預(yù)期，如等離子區(qū)接觸到NTC，NTC熱敏電阻就會(huì)暴露在高壓下，這就是用戶需在外部進(jìn)行隔離的要性。

圖3 陶瓷基板橫切面

圖4 差的故障管殼

1隔離的措施
要實(shí)現(xiàn)隔離，可以采用多種不同的方法，在某些應(yīng)用中，NTC傳感器本身的隔離能力已經(jīng)。由于每個(gè)應(yīng)用情況不同，而且用戶內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也各不相同，因此，應(yīng)根據(jù)各自的用途，設(shè)計(jì)合要求的隔離。常用的外部隔離方法是：將NTC與比較電路，通過光耦與控制邏輯隔離開，如圖5所示。

圖5 應(yīng)用光耦IL300進(jìn)行隔離

在隔離失效的情況下，可能會(huì)在高壓與NTC之間產(chǎn)生一個(gè)通路，如下圖所示：

Conduing path in case of failure

該通路可能是在失效中移動(dòng)的鍵合線改變位置造成，或者失效中電弧放電產(chǎn)生的等離子體通道。因此，內(nèi)部NTC的隔離只能滿足功能隔離。如果需要加強(qiáng)隔離，需要在外部添加額外的隔離層。在近幾年中，以下幾種方法已被證明是可行的選擇，其中：

? Having the control designed with reference to the high voltage and add an isolation barrier between touchable parts and the whole control eleronic

? Use og amplifiers with internal isolation barrier to sense the voltage across the NTC

? Transfer the NTC’s voltage to a dial information that can be transported to the control by means of isolating elements like magnetic or optic couplers

盡管在一般應(yīng)用中，NTC的功能性隔離已經(jīng)，但是在場(chǎng)合設(shè)計(jì)中應(yīng)該檢查的隔離要求是否都可以滿足。

NTC溫度傳感器測(cè)量IGBT模塊溫度(2)

2 應(yīng)用NTC進(jìn)行溫度測(cè)量
NTC安裝在IGBT模塊的DCB上，在模塊內(nèi)的熱量流通如下圖描述。

Flow of thermal energy inside a power eleronic module

芯片產(chǎn)生的熱量大部分直接流到散熱器然后從散熱器散發(fā)到環(huán)境中。此外，熱流量通過DCB材料及基板流向NTC的位置。
因?yàn)闊崃坎荒芰鲃?dòng)，NTC只適用于表征穩(wěn)定工作狀態(tài)下的IGBT模塊外殼溫度。瞬態(tài)現(xiàn)象如短路條件下產(chǎn)生的熱量不能通過NTC監(jiān)測(cè)，因?yàn)橄嚓P(guān)的時(shí)間常數(shù)太小，因此，NTC不能用于IGBT短路保護(hù)！表示熱量流通路徑的等效電路如下圖所示：

Equivalent thermal schematic

From this overview, two conclusions can be drawn:
1. As there is a temperature drop along the path RthJNTC conneing the chip’s junion to the NTC, the thermistor’s temperature C has to be lower than the junion temperature TJunion.
2. For the same reason, the temperature of the NTC has to be higher than the temperature that can be deteed at the heatsink.
From experience, the difference between the heat sink’s temperature and the NTC’s temperature is about 10K at temperature levels common for power eleronic devices.
Knowing the proper values for the Rth-chain is mandatory if temperatures that cannot be measured direly are calculated from these values. For a given module, the according values for RthJC and RthCH can be read from the datasheet for both the IGBT as well as for the diode

Rth-Values as printed in Infineon’s datasheets for power eleronic modules
With these values the thermal situation now can be calculated

As the NTC only refles the case temperature, it is sufficient to know the sum of losses and the module’s total RthCH that is given in the seion “Modul / module” within the datasheet as well:

NTC測(cè)量溫度幾乎與管殼溫度相同，在較高的溫度水平上，NTC測(cè)量溫度大概比散熱器的溫度高10℃左右，這取決于散熱器的冷卻效率和模塊與散熱器的接觸熱阻。通過NTC的溫度值TT，還可以利用靠近NTC的IGBT芯片的功耗估算其結(jié)溫Tj。

由于檢測(cè)電流通過NTC會(huì)加熱溫度傳感器本身，例如：TT=100℃，在NTC的溫度曲線中查到其阻值為RthT=500Ω，NTC的熱傳導(dǎo)率為145K/W，通過此值可定義上拉電阻：

如果把NTC的本身溫度上升限制在ΔTT=1K，則可允許的功耗為7mW是可以接受的，若外加反饋電壓U0為5V，則計(jì)算出上拉電阻的阻值為837Ω，因此可選擇阻值為820Ω的電阻代替上拉電阻。這時(shí)，I=5V/(520+500)Ω=3.8mA就可以選擇V＜3.8mA×500V=1.9V的電阻值為電壓比較器的關(guān)斷閥值，過熱保護(hù)功能可以通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)。如果流過NTC的電流過小，則檢測(cè)到NTC上的電壓值也比較小，因而檢測(cè)的準(zhǔn)確性也會(huì)降低。若檢測(cè)電流過高，NTC本身的溫度上升也過高，影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。因此建議檢測(cè)電流的值設(shè)定在3~4mA之間。

NTC電阻-溫度曲線圖

溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)是2秒，由于芯片熱時(shí)間常數(shù)小，而整個(gè)散熱系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)又大，因此，NTC檢測(cè)到的溫變是時(shí)間比較長(zhǎng)的過載情況。上圖以曲線的形式顯示了溫度與電阻值的關(guān)系，也可以使用下面的解析函數(shù)來描述曲線：

其中：B=3375K，R1=5KΩ,T1=298K,
T2是檢測(cè)溫度(開氏溫標(biāo))，R2在T2溫度時(shí)NTC的阻值。