关于电力电子IGBT模块内部使用NTC热敏电阻晶片温度测量的考虑

EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail]关于电力电子IGBT模块内部使用NTC热敏邦定（Bonding）晶片温度测量的应用设计考虑1．概述电力电子器件最重要的参数之一就是芯片的温度。然而对温度的直接测量需要一个装在芯片上甚至与作为芯片一部分的传感器。这会减小芯片通过电流能力的有效区域。测量芯片温度另一个可行的办法是通过一个热模型并以测量的基板温度作为基础数据开始计算结温。在英飞凌公司的很多电力电子模块中，NTC热敏电阻芯片，也称作NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片，被集成在内部当作一个温度传感器，以便方便精确测量温度装置的设计。本应用手册详细介绍说明了有关了隔离措施、使用NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片并从上面得到测量温度值的方法。2．内部设计NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片安装在硅芯片的附近，以得到一个比较紧密的热耦合。根据模块的不同，NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片或者与硅芯片安装在同一块DCB上，或者安装在单独的基片上：EconoDUAL™3内部的NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片安装在靠近IGBT的独立的DCB上没有基板的模块内部的NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片，安装在靠近硅芯片的地方2.1绝缘隔离措施在NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片所在位置之外，覆盖着填充模块的隔离胶。在任何经常性工作条件下，这是满足隔离要求的。为确保绝缘隔离质量，在生产过程中要根据EN50187标准进行绝缘测试。这一标准定义了几种不同等级的绝缘隔离标准，分为功能型和加强型的绝缘标准。加强型的绝缘标准，常常用于逆变器中，被定义为：EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail]一个在机械和电气方面的改进型基本绝缘，使得装置对电冲击的防护等级与双重绝缘隔离相同。它可能采用一层或者多层的绝缘材料。由于高压和NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片之间击穿产生导电通路引起的失效可能性是存在的，导电通路路径如图1所示：图1击穿失效时的导电通路路径这个导电通路本身可以由故障发生时连接线改变位置连接而成，或者击穿时的电弧产生的等离子路径形成。出于这个原因，内部NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的绝缘只是满足功能性的绝缘，因此为了加强隔离，需要加入外部的额外隔离屏障。近些年来，有一些方法证明是可行的。有把高压作为设计控制电路的参考电位，并在人有接触的部分和整个控制电路间加入绝缘隔离屏障层。使用带有内部隔离的运放来检测NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片两端的电压。使用隔离器件如磁或光耦将NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的电压转化为能够传输到控制电路的数字信号。虽然在一些应用场合，功能性的NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片隔离就足够了，但还是应该充分仔细检查以确保满足一些特殊设计的所有绝缘隔离要求。3．考虑NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的热量情况安装在DCB上的NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片在模块内部的热量流动路径简要示意图，如图2所示：图2电力电子模块内部的热量流动芯片产生的大部分热量是经过散热片直接散热到到环境中。此外，热量是经过DCB材料和基板导热到NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片所在的位置。由于热量并不是瞬间就能流动的，NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片测量的只是模块稳态工作时的温度。因为相关的时间常数太小，如由短路产生的瞬时温度现象就没办法监测到。EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail]作为一个很重要的结论，NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片不能用于短路保护！热量情况和热量可能传导路径的等效热路图如图3所示：图3等效热路原理图从概论中可以得出两个结论：1.由于连接芯片结到NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的路径RthJNTC热敏邦定芯片/Bonding晶片上有温度的降低，热敏电阻的温度TNTC热敏邦定芯片/Bonding晶片会比结温TJunction来得低。2.由于同样的原因，NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的温度会比散热片上测量的温度来得高。由经验可知，对于电力电子设备，散热片的温度和NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的温度的差值约等于10K的温度水平。如果有些温度值没办法测量，它们需要由Rth-chain值计算得到，则必须知道Rth-chain的值。对于一个给定的模块，IGBT和二极管的相应的RthJC和RthCH可以从数据手册得到。图4Infineon电力电子模块数据手册中的Rth由这些数值可以计算热量的情况：虽然NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片只反映了壳温，数据手册中的“Modul/module”部分给出了功率损耗和模块总RthCH的足够信息。EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail]图5Infineon数据手册给出完整模块的Rth值4．使用模拟方法用获得NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片测量的温度这一方法是基于把热传感器NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片作为分压电路的一部分来实现的，如图6所示：图6利用内部NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片构成的分压器数据手册中用两种不同方式给出了NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的热特性。根据NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的热特性图的公式R=f(R=f(R=f(R=f(R=f(R=f(ϑ)的参数就能采用解析方法近似得到NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的热特性图。有用的数学表达式为：参数值为：如果对于一个较小范围的温度，为了更精确的计算，数据手册还提供了B25/50和B25/80的值，。由测量得到的电压UR，则实际电阻R(ϑ)可以计算为：从而可推导出实际温度的表达式：如果需要得到某个温度值，根据测量得到的UR值，再用一个微处理器简单求解这个等式就可以得到。如果只需最大温度的一个阈值信号，则使用一个在预定值触发的比较器就足够了。EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail]4.1分压器中R1的大小R1应当认真选择以得到一个合适的数值。如果选得太小，流过NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的电流会导致功率损耗，并反过来加热器件从而改变了测量结果。另一方面，如果R1选择得太大，测量得的电压太小，反过来会降低测量精度。为了将这一电流的影响减小到最小，查看温度是十分有助的。NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的热导率为145K/W。如果允许温度有1K的精度差，那么NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片内部的功率损耗不能超过Pmax=6.9mW。假设需要测量的值达到100°C，NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的阻值会达到R100=493Ω.由此可知，电流最大值可以计算为：对于U1=5V的供电电压和3mA的电流限定值，电阻R1为：由于没有这样的标称电阻，因此可以选择910Ω的阻值，使得Imax=3.56mA；可以选择任何使得电流I4mA的电阻，因为1K温度的偏差是允许的。5．使用数字的方法获得NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片测量的温度除了用分压电路的方法，NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的阻值随温度的变化也可用于影响R-C电路的时间常数，基本电路图如图7所示：图7采用数字方法获得的温度的基本原理图通过电阻R11和R12设置比较器的阈值来改变比较器的输出。输出信号Uout用于触发晶体管Q1来使电容放电。由于电容的充电是受NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片的电阻R(ϑ)控制的，Uout是一个频率为fout=g(ϑ)的脉冲。为了从Uout得到实际的温度值，对于周期固定的脉冲只需要计算脉冲数的数量就可以了。由脉冲数就可以得到温度值；脉冲数与温度的关系图可以用解析方法或用对照表通过在两个最近的值中由插值方法求出。EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail]英飞凌EconoPIM－三相整流桥＋制动单元＋NTC热敏邦定芯片/Bonding晶片＋六单元英飞凌EconoPIM等效电路图把整流桥、制动单元、六单元IGBT及反并联续流二极管，温度传感器封装在同一个模块内。采用引脚方式，可布置在同一个PCB版上进行电气连接，这种功率集成模块（PIM）备受用户的青睐，为变频器实现小型化提供了基础。对于小功率变频器，全球主要变频器厂家均采用英飞凌这种EconoPIM。文章来源：应用技术网。封装形式的功率集成模块。后来其它著名电力半导体厂家也生产与英飞凌相同结构的PIM模块，且与英飞凌尺寸、管脚兼容。英飞凌PIM有三种尺寸，PIM1、PIM2、PIM3，采用铜基版.IGBT模块参数详解三-热阻特性IGBT模块的耗散功率以及额定电流的值抛开IGBT模块温度及热阻的规定是没有意义的，因此，为了比较不同的功率器件性能，有必要分析他们的热特性。IGBT模块功率损耗产生的热量会使器件内部的结温升高，进而降低器件及IGBT变流器性能并缩短寿命。让从芯片结点产生的热量消散出去以降低结温是非常重要的，瞬态热阻抗Zthjc(t)描述了器件的热量消散能力。热阻Rth的定义为硅片消耗功率并达到热平衡时，消耗单位功率导致结温相对于外部指定点的温度上升的值，是衡量IGBT散热能力的关键因素。RθJC(结到壳热阻)：是指每个开关管结合部(硅片)同外壳(模块底板)之间的热阻。该值大小完全取决于封装设计及内部框架材料。RθJC通常在Tc=25℃条件下测得，可由下式计算：Tc=25℃是采用无穷大散热器的条件，及外壳的温度与环境温度一样，该散热器可以达到Tc=Ta。IGBT模块产品手册分别规定了IGBT和反并联二极管的RΘJC值。RΘCS(接触热阻，壳到散热器)：是指模块底板与散热器之间热阻。该值与封装形式、导热硅脂的类型和厚度以及与散热器的安装方式有关。RΘSA(散热器到大气的热阻)：取决于散热器的几何结构、表面积、冷却方式及质量。当描述带基板的功率模块或分立器件的热特性时时，需要观察芯片结点、外壳、散热器的温度。手册中结到底板的热阻及底板到散热器的热阻规范如下图所示，底板到散热器的热阻RthCH定义了一个在规定的热界面材料条件下的典型值。EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,Ltd.EXSENSEElectronicsTechnologyCo.,[e-mail],junctiontocaseandcasetoheatsink热阻Rth描述了IGBT模块在稳定状态下的热行为，而热阻抗Zth描述了IGBT模块的瞬态或者短脉冲电流下的热行为。Rth只能描述DC工作模式，大部分IGBT实际应用是以一定的占空比进行开关动作。这种动态条件下，需要考虑采用热阻加热容的方法描述其等效电路。下图显示瞬态热阻抗ZthJC是作为时间的函数，ZthJC(t)到达最大值RθJC时饱和。TransientThermalImpedanceofIGBTChangesinjunctiontemperaturerespecttoconductiontime单个脉冲曲线决定了以一定占空比(D)的连续脉冲工作