IGBT温度传感器,IGBT用NTC温度传感器-华巨电子


NTC温度传感器测量IGBT模块温度

IGBT模块变流器装置中,最关键的参数之一是IGBT芯片的温度。直接测量的办法是将温度传感器安装在芯片上或者成为芯片的一部分。如此做将会减少承载芯片电流能力的有效区域。一个可行的替代方案用来确定芯片的温度,从测量基板的温度作为一个已知点开始,使用热模型计算IGBT温度。在许多英飞凌的电力电子模块中,通常集成了热敏电阻,也称之为NTC,作为一个温度传感器以简化精确的温度测量的设计。文章来源:

 IGBT一些新封装结构的模块中,内部封装有温度传感器(NTC)。如功率集成模块(PIM);六单元(EconoPACK)FS系列;三相整流桥(Econobridge)EasyPIMEasyPACKEasybridge;四单元H-(Econo-FourPACk);增强型半桥(Econodual+)等模块内均封装有NTC温度传感器。NTC是负温度系数热敏电阻,它可以有效地检测功率模块的稳态壳温(Tc)。模块内封装的NTC温度传感器参数完全相同。NTC是安装在硅片的附近以实现紧密的热耦合,根据不同的模块,可将用于测量模块壳温的温度传感器与芯片直接封装在同一个陶瓷基板(DCB)上,也可以将NTC温度传感器安装在一个单独的基板上,大大简化模块壳温的测量过程,如下图所示。


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


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

3所示,NTCIGB或二极管芯片位于同一陶瓷基板上,模块内使用隔离用硅胶填充,在正常运行条件下,它是满足隔离电压的要求。EUPECIGBT模块最终测试中,对NTC进行2.5KV交流,1分钟100%的隔离能力测试。但根据EN50178的要求,必须满足可能出现的任何故障期间保持安全隔离。由于IBGT模块内NTC可能暴露在高压下(例如:短路期间或模块烧毁后),用户还须从外部进行安全隔离。
如图4所示,当模块内部短路过流,或烧毁的过程中连线会熔化,并产生高能量的等离子区,而所有连线的等离子区的扩展方向都无法预期,如等离子区接触到NTCNTC温度传感器就会暴露在高压下,这就是用户需在外部进行安全隔离的必要性。


陶瓷基板横切面


最差的故障管壳

1可靠隔离的措施
要实现可靠隔离,可以采用多种不同的方法,在某些应用中,NTC温度传感器本身的隔离能力已经足够。由于每个应用情况不同,而且用户内部设计标准也各不相同,因此,应根据各自的用途,设计符合要求的隔离。最常用的外部隔离方法是:将NTC与比较电路,通过光耦与控制逻辑隔离开,如图5所示。


应用光耦IL300进行安全隔离

 

在隔离失效的情况下,可能会在高压与NTC之间产生一个通路,如下图所示:


Conducting path in case of failure

该通路可能是在失效事件中移动的键合线改变位置造成,或者失效事件中电弧放电产生的等离子体通道。因此,内部NTC的隔离只能满足功能隔离。如果需要加强隔离,需要在外部添加额外的隔离层。在最近几年中,以下几种方法已被证明是可行的选择,其中:

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

• Use analog amplifiers with internal isolation barrier to sense the voltage across the NTC

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

尽管在一般应用中,NTC的功能性隔离已经足够,但是在特殊场合设计中应该检查所有的隔离要求是否都可以满足。

NTC温度传感器测量IGBT模块温度(2)


应用NTC进行温度测量
NTC
安装在IGBT模块DCB上,在模块内的热量流通如下图描述。


Flow of thermal energy inside a power electronic module

芯片产生的热量大部分直接流到散热器然后从散热器散发到环境中。此外,热流量通过DCB材料及基板流向NTC热敏电阻的位置。因为热量不能瞬间流动,NTC只适用于表征稳定工作状态下的IGBT模块外壳温度。瞬态现象如短路条件下产生的热量不能通过NTC监测,因为相关的时间常数太小,因此,NTC不能用于IGBT短路保护!表示热量流通路径的等效电路如下图所示:


Equivalent thermal schematic

From this overview, two conclusions can be drawn:
1. As there is a temperature drop along the path RthJNTC connecting the chip’s junction to the NTC, the thermistor’s temperature TNTC has to be lower than the junction temperature TJunction.
2. For the same reason, the temperature of the NTC has to be higher than the temperature that can be detected 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 electronic devices.
Knowing the proper values for the Rth-chain is mandatory if temperatures that cannot be measured directly 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 electronic modules
With these values the thermal situation now can be calculated

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

NTC测量温度几乎与管壳温度相同,在较高的温度水平上,NTC测量温度大概比散热器的温度高10左右,这取决于散热器的冷却效率和模块与散热器的接触热阻。通过NTC的温度值TT,还可以利用最靠近NTCIGBT芯片的最大功耗估算其结温Tj

由于检测电流通过NTC会加热温度传感器本身,例如:TT=100,在NTC的温度曲线中查到其阻值为RthT=500ΩNTC的热传导率为145K/W,通过此值可定义上拉电阻:

如果把NTC的本身温度上升限制在ΔTT=1K,则可允许的最大功耗为7mW是可以接受的,若外加反馈电压U05V,则计算出上拉电阻的阻值为837Ω,因此可选择阻值为820Ω的电阻代替上拉电阻。这时,I=5V/(520+500)Ω=3.8mA就可以选择V3.8mA×500V=1.9V的电阻值为电压比较器的关断阀值,过热保护功能可以通过模拟电路来实现。如果流过NTC的电流过小,则检测到NTC上的电压值也比较小,因而检测的准确性也会降低。若检测电流过高,NTC本身的温度上升也过高,影响检测的准确性。因此建议检测电流的最佳值设定在3~4mA之间。

 


NTC电阻-温度曲线图

温度传感器的时间常数是2秒,由于芯片热时间常数非常小,而整个散热系统的时间常数又非常大,因此,NTC检测到的温变是时间比较长的过载情况。上图以曲线的形式显示了温度与电阻值的关系,也可以使用下面的解析函数来描述曲线:


其中:B=3375KR1=5KΩ,T1=298K,
T2
是检测温度(开氏温标)R2T2温度时NTC的阻值。

IGBT模块参数详解四-NTC热敏电阻

IGBT结温是功率电子器件最重要的参数之一,器件在运行中测量此温度是非常困难的。一个方法是通过使用IGBT模块内部的NTC(热敏电阻)近似估计芯片稳定工作状态的温度,此方法不适用与测量快速变化的IGBT温度
芯片温度可以通过建立一个热模型及测量NTC的温度计算得到,可以通过下式计算温度T2时的NTC电阻值

温度T2时的NTC电阻值

温度T1=298.15K时的电阻R25的值在手册里有规定,如下图

NTC热敏电阻参数

根据实际测量的NTC电阻R2的值,温度T2的值可由下式计算

温度T2时的NTC电阻值

电阻的最大相对偏差由定义在100度下的ΔR/R值来表示。为了避免NTC的自加热,NTC自身的功耗需要被限定。为了限定NTC的自身温升不超过最大允许值1K,通过NTC的电流可以由下式计算。

通过NTC的电流公式

为了更精确地计算NTC的电阻及温度值,需要不同的B值。B值取决于于所考虑的温度范围。25度到100度为最常见温度范围,因此会使用B25/100的值。在较低的温度范围内,可以使用B25/80或B25/50的值,这样会在较低的温度范围内计算的电阻值更精确。

NTC热敏电阻的B值

B-values of the NTC-thermistor

采用NTC的温度测量方式不适用与短路检测或短时间内过载检测,可以用来当长时间的过载条件下运行或者冷却系统故障时保护模块。

IGBT模块参数详解-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:

结到壳热阻计算公式

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。

IGBT结到壳及壳到散热器热阻手册值

Thermal resistance IGBT, junction to case and case to heat sink

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。

IGBT模块瞬态热阻曲线

Transient Thermal Impedance of IGBT

结温随着导通时间的变化关系

Changes in junction temperature respect to conduction time

单个脉冲曲线决定了以一定占空比(D)的连续脉冲工作状态下的热阻,如下式:

连续脉冲热阻抗计算公式

式中:Zthjc(t)为占空比为D的连续脉冲瞬态热阻,Sthjc(t):单个脉冲瞬态热阻

瞬态热阻抗曲线及模型

a)      Transient thermal impedance junction to case and b) transient thermal model

IGBT模块的功耗主要是通过不同材料从芯片消散到散热器,每一种功率耗散路径上的材料都具有自身的热特性。因而,IGBT模块的热阻抗行为可以使用合适的系数进行建模,得到了上图a的热阻抗曲线ZthJC(t)。图b中单独的RC元素没有物理意义,它们的值是由相应的分析工具,从测量的模块加热曲线上提取得到。
规格书包含了部分分数系数,如上图a中表格所示。电容的值可以由下式所得:

瞬态热阻模型电容计算公式

IGBT模块的热阻分布及等效电路图如下图所示:

IGBT模块热阻及温度分布图

IGBT模块热阻及温度分布图

IGBT模块热阻等效电路图

IGBT模块热阻等效电路

假定散热器是等温的,则有

热传输与电流传输有极大的相似性,遵从热路欧姆定律,可用上图的等效电路描述热量消散通道。从芯片结点到环境中的整体热阻以RθJA表示,等效电路可由下式描述:

 
IGBT模块一个桥臂的热阻与桥臂内IGBT及二极管的热阻关系如下图所示:

 IGBT模块、桥臂热阻与单个IGBT及二极管热阻关系图

如果给定模块的热阻RthCH,可以由下式计算每个IGBT和二极管的热阻:

下图为逆变器在不同的工作频率下IGBT结温的仿真结果:

IGBT模块结温仿真结果

由上图可见,即使相同的功耗,不同的工作频率会导致Tj较大的偏差,若要获得详细仿真结果,可由器件供应商的仿真软件仿真得到。

IGBT模块参数详解-NTC热敏电阻

IGBT结温是功率电子器件最重要的参数之一,器件在运行中测量此温度是非常困难的。一个方法是通过使用IGBT模块内部的NTC(热敏电阻)近似估计芯片稳定工作状态的温度,此方法不适用与测量快速变化的IGBT温度
芯片温度可以通过建立一个热模型及测量NTC的温度计算得到,可以通过下式计算温度T2时的NTC电阻值

温度T2时的NTC电阻值

温度T1=298.15K时的电阻R25的值在手册里有规定,如下图

NTC热敏电阻参数

根据实际测量的NTC电阻R2的值,温度T2的值可由下式计算

温度T2时的NTC电阻值

电阻的最大相对偏差由定义在100度下的ΔR/R值来表示。为了避免NTC的自加热,NTC自身的功耗需要被限定。为了限定NTC的自身温升不超过最大允许值1K,通过NTC的电流可以由下式计算。

通过NTC的电流公式

为了更精确地计算NTC的电阻及温度值,需要不同的B值。B值取决于于所考虑的温度范围。25度到100度为最常见温度范围,因此会使用B25/100的值。在较低的温度范围内,可以使用B25/80或B25/50的值,这样会在较低的温度范围内计算的电阻值更精确。

NTC热敏电阻的B值

B-values of the NTC-thermistor

采用NTC的温度测量方式不适用与短路检测或短时间内过载检测,可以用来当长时间的过载条件下运行或者冷却系统故障时保护模块。

其中:B25/50=3375KR1=5KΩ,T1=298K,
T2
是检测温度(开氏温标)R2T2温度时NTC的阻值。

IGBT模块参数详解-模块整体参数

该部分描述与IGBT模块机械构造相关的电气特性参数,包括绝缘耐压、主端子电阻、杂散电感、直流电压能力。
绝缘耐压:
为了评定IGBT模块的额定绝缘电压值,将所有端子连接到一起,接至高压源高端,基板接至测试仪器低压端。高阻抗高压源必须提供需要的绝缘测试电压Viso,将测试电压逐渐提升至规定值,该值可由下式确定并保持规定的时间t,然后将电压降为0。英飞凌的IGBT模块设计至少可达到IEC61140标准的等级1,对于内部带有NTC的IGBT模块,可通过在接地的NTC与其他连到一起的所有控制及主端子之间接高压,验证绝缘要求。

IGBT模块的额定绝缘电压测试规定值

合适的绝缘电压取决于IGBT的额定集电极-发射极电压,对于1700V IGBT模块大部分应用需要2.5KV的绝缘耐压要求。但对于牵引应用,同样1700阻断电压的IGBT模块需要4KV的绝缘耐压能力。因此,选择IGBT模块时,关注应用场合是非常重要的。英飞凌除了工业应用的1200V模块满足VDE0160/EN50178要求,其他所有的IGBT模块都按照IEC1287通过了绝缘测试。因为绝缘测试意味着模块被施加极端压力,如果客户需要重复测试,则建议降额值最初值的85%。

IGBT模块绝缘耐压参数

Insulation test voltage
高压模块也同样采用标准IEC1287进行局部放电试验,保证长时间工作可靠性。

Insulation test voltage

上图所示规格书中的绝缘耐压测试应该在IGBT模块的可靠性测试之前及之后进行,可作为该压力测试下的部分失效判据。
内部NTC的绝缘只是满足一个功能性隔离要求。在栅极驱动电路失效时,绑定线有可能由于失效事件改变位置,移动的绑定线或者失效过程电弧放电产生的等离子有可能与NTC接触。因而,如果有对绝缘能力有更高的要求,需要额外增加外部绝缘隔板。
杂散电感Lδ
杂散电感在开关转换时会导致浪涌电压,为主要的EMI来源。同时,结合组件的寄生电容形成谐振电路,从而使电压及电流在开关瞬间震荡。有杂散电感产生的瞬间过压可由下式计算,因此为了减少关断瞬间的过压,杂散电感应该设计成最小。

浪涌电压计算公式

规格书中的IGBT模块内部杂散电感值如下图所示,取决于IGBT的拓扑结构。

IGBT模块内部杂散电感参数

Module stray inductance
主端子电阻:
IGBT模块主端子的电阻会进一步造成压降及损耗。手册里规定的单个开关功率端子的电阻值如下图,该值是指功率端子到芯片之间连接部分阻值。主端子产生的损耗会直接加到模块的外壳上。

IGBT模块端子内阻参数

Module lead resistance

模块端子内阻等效电阻

根据下图模块端子电阻的等效电路

IGBT模块内部端子电阻示意图

可以得到整个模块主端子的电阻为

整个模块主端子的电阻

DC stability (VCED)

IGBT模块参数DC Stability VCED

对于高压模块,宇宙射线的影响会更加严重,规格书规定了会产生可忽略的失效率100fit情况下的直流电压值,如上图所示。直流稳定电压是在室温及海平面下测得,不建议设置直流电压超过VCED。

IGBT模块VCE能力及失效率随海平面变化的关系

 

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