IGBT温度传感器,IGBT用NTC温度传感器-ag娱乐电子


NTC温度传感器丈量IGBT模块温度

IGBT模块变流器安装中,最要害的参数之一是IGBT芯片的温度。间接丈量的措施是将温度传感器安置在芯片上大概成为芯片的一局部。云云做将会增加承载芯片电流才能的无效地区。一个可行的替换方案用来确定芯片的温度,从丈量基板的温度作为一个已知点开端,利用热模子盘算IGBT温度。在很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,作为一个以简化准确的温度丈量的设计。文章泉源:

 IGBT一些新封装布局的模块中,外部封装有温度传感器(NTC)。如功率集成模块(PIM);六单位(EconoPACK)FS系列;三相整流桥(Econobridge)EasyPIMEasyPACKEasybridge;四单位H-(Econo-FourPACk);加强型半桥(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,它可以无效地检测功率模块的稳态壳温(Tc)。模块内封装的参数完全相反。NTC是安置在硅片的左近以完成严密的热耦合,依据差别的模块,可将用于丈量模块壳温的温度传感器与芯片间接封装在统一个陶瓷基板(DCB)上,也可以将NTC温度传感器安置在一个独自的基板上,大大简化模块壳温的丈量历程,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或二极管芯片位于统一陶瓷基板上,模块内利用断绝用硅胶添补,在正常运转条件下,它是满意断绝电压的要求。EUPECIGBT模块终极测试中,对NTC举行2.5KV交换,1分钟100%的断绝才能测试。但依据EN50178的要求,必需满意大概呈现的任何以障时期坚持宁静断绝。由于IBGT模块内NTC大概表露在高压下(比方:短路时期或模块废弃后),用户还须从内部举行宁静断绝。
如图4所示,当模块外部短途经流,或废弃的历程中连线会熔化,并发生高能量的等离子区,而一切连线的等离子区的扩展偏向都无法预期,如等离子区打仗到NTCNTC温度传感器就会表露在高压下,这便是用户需在内部举行宁静断绝的须要性。


陶瓷基板横切面


最差的妨碍管壳

1牢靠断绝的步伐
要完成牢靠断绝,可以接纳多种差别的办法,在某些使用中,自己的断绝才能曾经充足。由于每个使用状况差别,并且用户外部设计尺度也各不相反,因而,应依据各自的用处,设计切合要求的断绝。最常用的内部断绝办法是:将NTC与比力电路,经过光耦与控制逻辑断绝开,如图5所示。


使用光耦IL300举行宁静断绝

 

在断绝生效的状况下,大概会在高压与NTC之间发生一个通路,如下图所示:


Conducting path in case of failure

该通路大概是在生效事情中挪动的键合线改动地位形成,大概生效事情中电弧放电发生的等离子体通道。因而,外部NTC的断绝只能满意功效断绝。假如必要增强断绝,必要在内部添加分外的断绝层。在近来几年中,以下几种办法已被证明是可行的选择,此中:

• 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

只管在一样平常使用中,NTC的功效性断绝曾经充足,但在特别场所设计中应该反省一切的断绝要求能否都可以满意。

NTC温度传感器丈量IGBT模块温度(2)


使用NTC举行温度丈量
NTC
安置在IGBT模块DCB上,在模块内的热量流畅如下图形貌。


Flow of thermal energy inside a power electronic module

芯片发生的热量大局部间接流到散热器然后从散热器分发到情况中。别的,热流量经过DCB质料及基板流向的地位。由于热量不克不及刹时活动,NTC只实用于表征波动事情形态下的IGBT模块外壳温度。瞬态征象如短路条件下发生的热量不克不及经过NTC监测,由于相干的工夫常数太小,因而,NTC不克不及用于IGBT短路掩护!表现热量流畅途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丈量温度简直与管壳温度相反,在较高的温度程度上,NTC丈量温度大约比散热器的温度高10左右,这取决于散热器的冷却服从和模块与散热器的打仗热阻。经过NTC的温度值TT,还可以使用最接近NTCIGBT芯片的最大功耗预算其结温Tj

由于检测电流畅过NTC会加热自己,比方: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,经过此值可界说上拉电阻:

假如把NTC的自己温度上升限定在ΔTT=1K,则可容许的最大功耗为7mW是可以承受的,若外加反应电压U05V,则盘算出上拉电阻的阻值为837Ω,因而可选择阻值为820Ω的电阻取代上拉电阻。这时,I=5V/(520+500)Ω=3.8mA就可以选择V3.8mA×500V=1.9V的电阻值为电压比力器的关断阀值,过热掩护功效可以经过模仿电路来完成。假如流过NTC的电流过小,则检测到NTC上的电压值也比力小,因此检测的正确性也会低落。若检测电流过高,NTC自己的温度上升也过高,影响检测的正确性。因而发起检测电流的最佳值设定在3~4mA之间。

 


NTC电阻-温度曲线图

温度传感器的工夫常数是2秒,由于芯片热工夫常数十分小,而整个散热体系的工夫常数又十分大,因而,NTC检测到的温变是工夫比力长的过载状况。上图以曲线的情势表现了温度与电阻值的干系,也可以利用上面的剖析函数来形貌曲线:


此中: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紧张的参数之一,器件在运转中丈量此温度黑白常难的。一个办法是经过利用IGBT模块外部的NTC(热敏电阻)类似估量芯片波动事情形态的温度,此办法不实用与丈量疾速变革的IGBT温度
芯片温度可以经过创建一个热模子及丈量NTC的温度盘算失掉,可以经过下式盘算温度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的值在手册里有划定,如下图

NTC热敏电阻参数

依据实践丈量的NTC电阻R2的值,温度T2的值可由下式盘算

温度T2时的NTC电阻值

电阻的最大绝对偏向由界说在100度下的ΔR/R值来表现。为了制止NTC的自加热,NTC本身的功耗必要被有限。为了有限NTC的本身温升不凌驾最大容许值1K,经过NTC的电流可以由下式盘算。

经过NTC的电流公式

为了更准确地盘算NTC的电阻及温度值,必要差别的B值。B值取决于于所思索的温度范畴。25度到100度为最罕见温度范畴,因而会利用B25/100的值。在较低的温度范畴内,可以利用B25/80或B25/50的值,如许会在较低的温度范畴内盘算的电阻值更准确。

NTC热敏电阻的B值

B-values of the NTC-thermistor

接纳NTC的温度丈量方法不实用与短路检测或短工夫内过载检测,可以用来当永劫间的过载条件下运转大概冷却体系妨碍时掩护模块。

IGBT模块参数详解-热阻特征

IGBT模块的耗散功率以及额外电流的值抛开IGBT模块温度及热阻的划定是没故意义的,因而,为了比力差别的功率器件功能,有须要剖析他们的热特征。IGBT模块功率消耗发生的热量会使器件外部的结温降低,进而低落器件及IGBT变流器功能并延长寿命。让从芯片结点发生的热量散失出去以低落结温黑白常紧张的,瞬态热阻抗Zthjc(t)形貌了器件的热量散失才能。热阻Rth的界说为硅片斲丧功率并到达热均衡时,斲丧单元功率招致结温绝对于内部指定点的温度上升的值,是权衡IGBT散热才能的要害要素。
RθJC(结到壳热阻):是指每个开关管联合部(硅片)同外壳(模块底板)之间的热阻。该值巨细完全取决于封装设计及外部框架质料。RθJC通常在Tc=25℃条件下测得,可由下式盘算:

结到壳热阻盘算公式

Tc=25℃是接纳无量大散热器的条件,及外壳的温度与情况温度一样,该散热器可以到达Tc=Ta。
IGBT模块产品手册辨别划定了IGBT和反并联二极管的RΘJC值。
RΘCS(打仗热阻,壳到散热器):是指模块底板与散热器之间热阻。该值与封装情势、导热硅脂的范例和厚度以及与散热器的安置方法有关。
RΘSA(散热器到大气的热阻):取决于散热器的多少布局、外表积、冷却方法及质量。
当形貌带基板的功率模块或分立器件的热特征时时,必要察看芯片结点、外壳、散热器的温度。手册中结究竟板的热阻及底板到散热器的热阻标准如下图所示,底板到散热器的热阻RthCH界说了一个在划定的热界面质料条件下的典范值。

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形貌了IGBT模块在波动形态下的热举动,而热阻抗Zth形貌了IGBT模块的瞬态大概短脉冲电流下的热举动。Rth只能形貌DC事情形式,大局部IGBT实践使用因此肯定的占空比举行开关举措。这种静态条件下,必要思索接纳热阻加热容的办法形貌其等效电路。下图表现瞬态热阻抗ZthJC是作为工夫的函数,ZthJC(t)抵达最大值RθJC时饱和。

IGBT模块瞬态热阻曲线

Transient Thermal Impedance of IGBT

结温随着导通工夫的变革干系

Changes in junction temperature respect to conduction time

单个脉冲曲线决议了以肯定占空比(D)的一连脉冲事情形态下的热阻,如下式:

一连脉冲热阻抗盘算公式

式中:Zthjc(t)为占空比为D的一连脉冲瞬态热阻,Sthjc(t):单个脉冲瞬态热阻

瞬态热阻抗曲线及模子

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

IGBT模块的功耗次要是经过差别质料从芯片散失到散热器,每一种功率耗散途径上的质料都具有本身的热特征。因此,IGBT模块的热阻抗举动可以利用符合的系数举行建模,失掉了上图a的热阻抗曲线ZthJC(t)。图b中独自的RC元素没有物理意义,它们的值是由响应的剖析东西,从丈量的模块加热曲线上提获得到。
规格书包括了局部分数系数,如上图a中表格所示。电容的值可以由下式所得:

瞬态热阻模子电容盘算公式

IGBT模块的热阻散布及等效电路图如下图所示:

IGBT模块热阻及温度散布图

IGBT模块热阻及温度散布图

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

热传输与电传播输有极大的类似性,服从热路欧姆定律,可用上图的等效电路形貌热量散失通道。从芯片结点到情况中的全体热阻以RθJA表现,等效电路可由下式形貌:

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

 IGBT模块、桥臂热阻与单个IGBT及二极管热阻干系图

假如给定模块的热阻RthCH,可以由下式盘算每个IGBT和二极管的热阻:

下图为逆变器在差别的事情频率下IGBT结温的仿真后果:

IGBT模块结温仿真后果

由上图可见,即便相反的功耗,差别的事情频率会招致Tj较大的偏向,若要取得细致仿真后果,可由器件供给商的仿真软件仿真失掉。

IGBT模块参数详解-NTC热敏电阻

IGBT结温是功率电子器件最紧张的参数之一,器件在运转中丈量此温度黑白常难的。一个办法是经过利用IGBT模块外部的NTC(热敏电阻)类似估量芯片波动事情形态的温度,此办法不实用与丈量疾速变革的IGBT温度
芯片温度可以经过创建一个热模子及丈量NTC的温度盘算失掉,可以经过下式盘算温度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的值在手册里有划定,如下图

NTC热敏电阻参数

依据实践丈量的NTC电阻R2的值,温度T2的值可由下式盘算

温度T2时的NTC电阻值

电阻的最大绝对偏向由界说在100度下的ΔR/R值来表现。为了制止NTC的自加热,NTC本身的功耗必要被有限。为了有限NTC的本身温升不凌驾最大容许值1K,经过NTC的电流可以由下式盘算。

经过NTC的电流公式

为了更准确地盘算NTC的电阻及温度值,必要差别的B值。B值取决于于所思索的温度范畴。25度到100度为最罕见温度范畴,因而会利用B25/100的值。在较低的温度范畴内,可以利用B25/80或B25/50的值,如许会在较低的温度范畴内盘算的电阻值更准确。

NTC热敏电阻的B值

B-values of the NTC-thermistor

接纳NTC的温度丈量方法不实用与短路检测或短工夫内过载检测,可以用来当永劫间的过载条件下运转大概冷却体系妨碍时掩护模块。

此中: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-模块全体参数

该局部形貌与IGBT模块机器结构相干的电气特征参数,包罗绝缘耐压、主端子电阻、杂散电感、直流电压才能。
绝缘耐压:
为了评定IGBT模块的额外绝缘电压值,将一切端子毗连到一同,接至高压源高端,基板接至测试仪器高压端。高阻抗高压源必需提供必要的绝缘测试电压Viso,将测试电压渐渐提拔至划定值,该值可由下式确定并坚持划定的工夫t,然后将电压降为0。英飞凌的IGBT模块设计至多可到达IEC61140尺度的品级1,关于外部带有NTC的,可经过在接地的NTC与其他连到一同的一切控制及主端子之直接高压,验证绝缘要求。

IGBT模块的额外绝缘电压测试划定值

符合的绝缘电压取决于IGBT的额外集电极-发射极电压,关于1700V IGBT模块大局部使用必要2.5KV的绝缘耐压要求。但关于牵引使用,异样1700阻断电压的IGBT模块必要4KV的绝缘耐压才能。因而,选择IGBT模块时,存眷使用场所黑白常紧张的。英飞凌除了产业使用的1200V模块满意VDE0160/EN50178要求,其他一切的IGBT模块都依照IEC1287经过了绝缘测试。由于绝缘测试意味着模块被施加极度压力,假如客户必要反复测试,则发起降额值最后值的85%。

IGBT模块绝缘耐压参数

Insulation test voltage
高压模块也异样接纳尺度IEC1287举行部分放电实验,包管永劫间事情牢靠性。

Insulation test voltage

上图所示规格书中的绝缘耐压测试应该在IGBT模块的牢靠性测试之前及之落伍行,可作为该压力测试下的局部生效判据。
外部NTC的绝缘只是满意一个功效性断绝要求。在栅极驱动电路生效时,绑定线有大概由于生效事情改动地位,挪动的绑定线大概生效历程电弧放电发生的等离子有大概与NTC打仗。因此,假如有对绝缘才能有更高的要求,必要分外增长内部绝缘隔板。
杂散电感Lδ
杂散电感在开关转换时会招致浪涌电压,为次要的EMI泉源。同时,联合组件的寄生电容构成谐振电路,从而使电压及电流在开关刹时震荡。有杂散电感发生的刹时过压可由下式盘算,因而为了增加关断刹时的过压,杂散电感到该设计成最小。

浪涌电压盘算公式

规格书中的IGBT模块外部杂散电感值如下图所示,取决于IGBT的拓扑布局。

IGBT模块外部杂散电感参数

Module stray inductance
主端子电阻:
IGBT模块主端子的电阻会进一步形成压降及消耗。手册里划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毗连局部阻值。主端子发生的消耗会间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

依据下图模块端子电阻的等效电路

IGBT模块外部端子电阻表示图

可以失掉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

关于高压模块,宇宙射线的影响会愈加严峻,规格书划定了会发生可疏忽的生效率100fit状况下的直流电压值,如上图所示。直流波动电压是在室温及海立体下测得,不发起设置直流电压凌驾VCED。

IGBT模块VCE才能及生效率随海立体变革的干系

 

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