IGBT用NTC熱敏電阻參數選用,IGBT熱敏電阻,IGBT用熱敏電阻-華巨電子


NTC溫度傳感器測量IGBT模塊溫度

IGBT模塊變流器裝置中,最關鍵的參數之一是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有效區域。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精確的溫度測量的設計。文章來源:

 IGBT一些新封裝結構的模塊中,內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)EasyPIMEasyPACKEasybridge;四單元H-(Econo-FourPACk);增強型半橋(Econodual+)等模塊內均封裝有NTC溫度傳感器。NTC是負溫度系數熱敏電阻,它可以有效地檢測功率模塊的穩態殼溫(Tc)。模塊內封裝的NTC熱敏電阻參數完全相同。NTC是安裝在硅片的附近以實現緊密的熱耦合,根據不同的模塊,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熱敏電阻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。


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或二極管芯片位于同一陶瓷基板上,模塊內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。EUPECIGBT模塊最終測試中,對NTC進行2.5KV交流,1分鐘100%的隔離能力測試。但根據EN50178的要求,必須滿足可能出現的任何故障期間保持安全隔離。由于IBGT模塊內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安全隔離。
如圖4所示,當模塊內部短路過流,或燒毀的過程中連線會熔化,并產生高能量的等離子區,而所有連線的等離子區的擴展方向都無法預期,如等離子區接觸到NTCNTC熱敏電阻就會暴露在高壓下,這就是用戶需在外部進行安全隔離的必要性。


陶瓷基板橫切面


最差的故障管殼

1可靠隔離的措施
要實現可靠隔離,可以采用多種不同的方法,在某些應用中,NTC溫度傳感器本身的隔離能力已經足夠。由于每個應用情況不同,而且用戶內部設計標準也各不相同,因此,應根據各自的用途,設計符合要求的隔離。最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。


應用光耦IL300進行安全隔離

 

在隔離失效的情況下,可能會在高壓與NTC之間產生一個通路,如下圖所示:


Conducting path in case of failure

該通路可能是在失效事件中移動的鍵合線改變位置造成,或者失效事件中電弧放電產生的等離子體通道。因此,內部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。在最近幾年中,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 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

盡管在一般應用中,NTC的功能性隔離已經足夠,但是在特殊場合設計中應該檢查所有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)


應用NTC進行溫度測量
NTC
安裝在IGBT模塊DCB上,在模塊內的熱量流通如下圖描述。


Flow of thermal energy inside a power electronic module

芯片產生的熱量大部分直接流到散熱器然后從散熱器散發到環境中。此外,熱流量通過DCB材料及基板流向NTC熱敏電阻的位置。因為熱量不能瞬間流動,NTC只適用于表征穩定工作狀態下的IGBT模塊外殼溫度。瞬態現象如短路條件下產生的熱量不能通過NTC監測,因為相關的時間常數太小,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 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,還可以利用最靠近NTCIGBT芯片的最大功耗估算其結溫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=500ΩNTC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,則可允許的最大功耗為7mW是可以接受的,若外加反饋電壓U05V,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V3.8mA×500V=1.9V的電阻值為電壓比較器的關斷閥值,過熱保護功能可以通過模擬電路來實現。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最佳值設定在3~4mA之間。

 


NTC電阻-溫度曲線圖

溫度傳感器的時間常數是2秒,由于芯片熱時間常數非常小,而整個散熱系統的時間常數又非常大,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系,也可以使用下面的解析函數來描述曲線:


其中:B=3375KR1=5KΩ,T1=298K,
T2
是檢測溫度(開氏溫標)R2T2溫度時NTC的阻值。

IGBT模塊參數詳解四-NTC熱敏電阻

IGBT結溫是功率電子器件最重要的參數之一,器件在運行中測量此溫度是非常困難的。一個方法是通過使用IGBT模塊內部的NTC(熱敏電阻)近似估計芯片穩定工作狀態的溫度,此方法不適用與測量快速變化的IGBT溫度
芯片溫度可以通過建立一個熱模型及測量NTC的溫度計算得到,可以通過下式計算溫度T2時的NTC電阻值

溫度T2時的NTC電阻值

溫度T1=298.15K時的電阻R25的值在手冊里有規定,如下圖

NTC熱敏電阻參數

根據實際測量的NTC電阻R2的值,溫度T2的值可由下式計算

溫度T2時的NTC電阻值

電阻的最大相對偏差由定義在100度下的ΔR/R值來表示。為了避免NTC的自加熱,NTC自身的功耗需要被限定。為了限定NTC的自身溫升不超過最大允許值1K,通過NTC的電流可以由下式計算。

通過NTC的電流公式

為了更精確地計算NTC的電阻及溫度值,需要不同的B值。B值取決于于所考慮的溫度范圍。25度到100度為最常見溫度范圍,因此會使用B25/100的值。在較低的溫度范圍內,可以使用B25/80或B25/50的值,這樣會在較低的溫度范圍內計算的電阻值更精確。

NTC熱敏電阻的B值

B-values of the NTC-thermistor

采用NTC的溫度測量方式不適用與短路檢測或短時間內過載檢測,可以用來當長時間的過載條件下運行或者冷卻系統故障時保護模塊。

IGBT模塊參數詳解-熱阻特性

IGBT模塊的耗散功率以及額定電流的值拋開IGBT模塊溫度及熱阻的規定是沒有意義的,因此,為了比較不同的功率器件性能,有必要分析他們的熱特性。IGBT模塊功率損耗產生的熱量會使器件內部的結溫升高,進而降低器件及IGBT變流器性能并縮短壽命。讓從芯片結點產生的熱量消散出去以降低結溫是非常重要的,瞬態熱阻抗Zthjc(t)描述了器件的熱量消散能力。熱阻Rth的定義為硅片消耗功率并達到熱平衡時,消耗單位功率導致結溫相對于外部指定點的溫度上升的值,是衡量IGBT散熱能力的關鍵因素。
RθJC(結到殼熱阻):是指每個開關管結合部(硅片)同外殼(模塊底板)之間的熱阻。該值大小完全取決于封裝設計及內部框架材料。RθJC通常在Tc=25℃條件下測得,可由下式計算:

結到殼熱阻計算公式

Tc=25℃是采用無窮大散熱器的條件,及外殼的溫度與環境溫度一樣,該散熱器可以達到Tc=Ta。
IGBT模塊產品手冊分別規定了IGBT和反并聯二極管的RΘJC值。
RΘCS(接觸熱阻,殼到散熱器):是指模塊底板與散熱器之間熱阻。該值與封裝形式、導熱硅脂的類型和厚度以及與散熱器的安裝方式有關。
RΘSA(散熱器到大氣的熱阻):取決于散熱器的幾何結構、表面積、冷卻方式及質量。
當描述帶基板的功率模塊或分立器件的熱特性時時,需要觀察芯片結點、外殼、散熱器的溫度。手冊中結到底板的熱阻及底板到散熱器的熱阻規范如下圖所示,底板到散熱器的熱阻RthCH定義了一個在規定的熱界面材料條件下的典型值。

IGBT結到殼及殼到散熱器熱阻手冊值

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

熱阻Rth描述了IGBT模塊在穩定狀態下的熱行為,而熱阻抗Zth描述了IGBT模塊的瞬態或者短脈沖電流下的熱行為。Rth只能描述DC工作模式,大部分IGBT實際應用是以一定的占空比進行開關動作。這種動態條件下,需要考慮采用熱阻加熱容的方法描述其等效電路。下圖顯示瞬態熱阻抗ZthJC是作為時間的函數,ZthJC(t)到達最大值RθJC時飽和。

IGBT模塊瞬態熱阻曲線

Transient Thermal Impedance of IGBT

結溫隨著導通時間的變化關系

Changes in junction temperature respect to conduction time

單個脈沖曲線決定了以一定占空比(D)的連續脈沖工作狀態下的熱阻,如下式:

連續脈沖熱阻抗計算公式

式中:Zthjc(t)為占空比為D的連續脈沖瞬態熱阻,Sthjc(t):單個脈沖瞬態熱阻

瞬態熱阻抗曲線及模型

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

IGBT模塊的功耗主要是通過不同材料從芯片消散到散熱器,每一種功率耗散路徑上的材料都具有自身的熱特性。因而,IGBT模塊的熱阻抗行為可以使用合適的系數進行建模,得到了上圖a的熱阻抗曲線ZthJC(t)。圖b中單獨的RC元素沒有物理意義,它們的值是由相應的分析工具,從測量的模塊加熱曲線上提取得到。
規格書包含了部分分數系數,如上圖a中表格所示。電容的值可以由下式所得:

瞬態熱阻模型電容計算公式

IGBT模塊的熱阻分布及等效電路圖如下圖所示:

IGBT模塊熱阻及溫度分布圖

IGBT模塊熱阻及溫度分布圖

IGBT模塊熱阻等效電路圖

IGBT模塊熱阻等效電路

假定散熱器是等溫的,則有

熱傳輸與電流傳輸有極大的相似性,遵從熱路歐姆定律,可用上圖的等效電路描述熱量消散通道。從芯片結點到環境中的整體熱阻以RθJA表示,等效電路可由下式描述:

 
IGBT模塊一個橋臂的熱阻與橋臂內IGBT及二極管的熱阻關系如下圖所示:

 IGBT模塊、橋臂熱阻與單個IGBT及二極管熱阻關系圖

如果給定模塊的熱阻RthCH,可以由下式計算每個IGBT和二極管的熱阻:

下圖為逆變器在不同的工作頻率下IGBT結溫的仿真結果:

IGBT模塊結溫仿真結果

由上圖可見,即使相同的功耗,不同的工作頻率會導致Tj較大的偏差,若要獲得詳細仿真結果,可由器件供應商的仿真軟件仿真得到。

IGBT模塊參數詳解-NTC熱敏電阻

IGBT結溫是功率電子器件最重要的參數之一,器件在運行中測量此溫度是非常困難的。一個方法是通過使用IGBT模塊內部的NTC(熱敏電阻)近似估計芯片穩定工作狀態的溫度,此方法不適用與測量快速變化的IGBT溫度
芯片溫度可以通過建立一個熱模型及測量NTC的溫度計算得到,可以通過下式計算溫度T2時的NTC電阻值

溫度T2時的NTC電阻值

溫度T1=298.15K時的電阻R25的值在手冊里有規定,如下圖

NTC熱敏電阻參數

根據實際測量的NTC電阻R2的值,溫度T2的值可由下式計算

溫度T2時的NTC電阻值

電阻的最大相對偏差由定義在100度下的ΔR/R值來表示。為了避免NTC的自加熱,NTC自身的功耗需要被限定。為了限定NTC的自身溫升不超過最大允許值1K,通過NTC的電流可以由下式計算。

通過NTC的電流公式

為了更精確地計算NTC的電阻及溫度值,需要不同的B值。B值取決于于所考慮的溫度范圍。25度到100度為最常見溫度范圍,因此會使用B25/100的值。在較低的溫度范圍內,可以使用B25/80或B25/50的值,這樣會在較低的溫度范圍內計算的電阻值更精確。

NTC熱敏電阻的B值

B-values of the NTC-thermistor

采用NTC的溫度測量方式不適用與短路檢測或短時間內過載檢測,可以用來當長時間的過載條件下運行或者冷卻系統故障時保護模塊。

其中:B25/50=3375KR1=5KΩ,T1=298K,
T2
是檢測溫度(開氏溫標)R2T2溫度時NTC的阻值。

IGBT模塊參數詳解-模塊整體參數

該部分描述與IGBT模塊機械構造相關的電氣特性參數,包括絕緣耐壓、主端子電阻、雜散電感、直流電壓能力。
絕緣耐壓:
為了評定IGBT模塊的額定絕緣電壓值,將所有端子連接到一起,接至高壓源高端,基板接至測試儀器低壓端。高阻抗高壓源必須提供需要的絕緣測試電壓Viso,將測試電壓逐漸提升至規定值,該值可由下式確定并保持規定的時間t,然后將電壓降為0。英飛凌的IGBT模塊設計至少可達到IEC61140標準的等級1,對于內部帶有NTC的IGBT模塊,可通過在接地的NTC與其他連到一起的所有控制及主端子之間接高壓,驗證絕緣要求。

IGBT模塊的額定絕緣電壓測試規定值

合適的絕緣電壓取決于IGBT的額定集電極-發射極電壓,對于1700V IGBT模塊大部分應用需要2.5KV的絕緣耐壓要求。但對于牽引應用,同樣1700阻斷電壓的IGBT模塊需要4KV的絕緣耐壓能力。因此,選擇IGBT模塊時,關注應用場合是非常重要的。英飛凌除了工業應用的1200V模塊滿足VDE0160/EN50178要求,其他所有的IGBT模塊都按照IEC1287通過了絕緣測試。因為絕緣測試意味著模塊被施加極端壓力,如果客戶需要重復測試,則建議降額值最初值的85%。

IGBT模塊絕緣耐壓參數

Insulation test voltage
高壓模塊也同樣采用標準IEC1287進行局部放電試驗,保證長時間工作可靠性。

Insulation test voltage

上圖所示規格書中的絕緣耐壓測試應該在IGBT模塊的可靠性測試之前及之后進行,可作為該壓力測試下的部分失效判據。
內部NTC的絕緣只是滿足一個功能性隔離要求。在柵極驅動電路失效時,綁定線有可能由于失效事件改變位置,移動的綁定線或者失效過程電弧放電產生的等離子有可能與NTC接觸。因而,如果有對絕緣能力有更高的要求,需要額外增加外部絕緣隔板。
雜散電感Lδ
雜散電感在開關轉換時會導致浪涌電壓,為主要的EMI來源。同時,結合組件的寄生電容形成諧振電路,從而使電壓及電流在開關瞬間震蕩。有雜散電感產生的瞬間過壓可由下式計算,因此為了減少關斷瞬間的過壓,雜散電感應該設計成最小。

浪涌電壓計算公式

規格書中的IGBT模塊內部雜散電感值如下圖所示,取決于IGBT的拓撲結構。

IGBT模塊內部雜散電感參數

Module stray inductance
主端子電阻:
IGBT模塊主端子的電阻會進一步造成壓降及損耗。手冊里規定的單個開關功率端子的電阻值如下圖,該值是指功率端子到芯片之間連接部分阻值。主端子產生的損耗會直接加到模塊的外殼上。

IGBT模塊端子內阻參數

Module lead resistance

模塊端子內阻等效電阻

根據下圖模塊端子電阻的等效電路

IGBT模塊內部端子電阻示意圖

可以得到整個模塊主端子的電阻為

整個模塊主端子的電阻

DC stability (VCED)

IGBT模塊參數DC Stability VCED

對于高壓模塊,宇宙射線的影響會更加嚴重,規格書規定了會產生可忽略的失效率100fit情況下的直流電壓值,如上圖所示。直流穩定電壓是在室溫及海平面下測得,不建議設置直流電壓超過VCED。

IGBT模塊VCE能力及失效率隨海平面變化的關系

 



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