NTC溫度傳感器測量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。如此做將會減少承載芯片電流能力的區(qū)域。一個可行的替代方案用來確定芯片的溫度，從測量基板的溫度作為一個已知點開始，使用熱模型計算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，作為一個溫度傳感器以簡化的溫度測量的設計。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)；增強型半橋(Econodual+)等模塊內(nèi)均封裝有NTC溫度傳感器。NTC是負溫度系數(shù)熱敏電阻，它可以地檢測功率模塊的穩(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現(xiàn)緊密的熱耦合，根據(jù)不同的模塊，可將用于測量模塊殼溫的溫度傳感器與芯片直接封裝在同一個陶瓷基板(DCB)上，也可以將NTC安裝在一個單獨的基板上，大大簡化模塊殼溫的測量過程，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，在正常運行條件下，它是滿足隔離電壓的要求。EUPEC在IGBT模塊終測試中，對NTC進行2.5KV交流，1分鐘100%的隔離能力測試。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)，用戶還須從外部進行隔離。
如圖4所示，當模塊內(nèi)部短路過流，或燒毀的過程中連線會熔化，并產(chǎn)生量的等離子區(qū)，而連線的等離子區(qū)的擴展方向預期，如等離子區(qū)接觸到NTC，NTC熱敏電阻就會暴露在高壓下，這就是用戶需在外部進行隔離的要性。

圖3 陶瓷基板橫切面

圖4 差的故障管殼

1隔離的措施
要實現(xiàn)隔離，可以采用多種不同的方法，在某些應用中，NTC傳感器本身的隔離能力已經(jīng)。由于每個應用情況不同，而且用戶內(nèi)部設計標準也各不相同，因此，應根據(jù)各自的用途，設計合要求的隔離。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 應用光耦IL300進行隔離

在隔離失效的情況下，可能會在高壓與NTC之間產(chǎn)生一個通路，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

盡管在一般應用中，NTC的功能性隔離已經(jīng)，但是在場合設計中應該檢查的隔離要求是否都可以滿足。

NTC溫度傳感器測量IGBT模塊溫度(2)

2 應用NTC進行溫度測量
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。
因為熱量不能流動，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，因為相關(guān)的時間常數(shù)太小，因此，NTC不能用于IGBT短路保護！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測量溫度幾乎與管殼溫度相同，在較高的溫度水平上，NTC測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。

由于檢測電流通過NTC會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，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，過熱保護功能可以通過模擬電路來實現(xiàn)。如果流過NTC的電流過小，則檢測到NTC上的電壓值也比較小，因而檢測的準確性也會降低。若檢測電流過高，NTC本身的溫度上升也過高，影響檢測的準確性。因此建議檢測電流的值設定在3~4mA之間。

NTC電阻-溫度曲線圖

溫度傳感器的時間常數(shù)是2秒，由于芯片熱時間常數(shù)小，而整個散熱系統(tǒng)的時間常數(shù)又大，因此，NTC檢測到的溫變是時間比較長的過載情況。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是檢測溫度(開氏溫標)，R2在T2溫度時NTC的阻值。