如何通過熱敏電阻計算IGBT的結(jié)溫

第第頁如何通過熱敏電阻計算IGBT的結(jié)溫（IGBT）模塊中通常都會在陶瓷基板（DBC）上設(shè)有熱敏（電阻）（NTC或（PTC），由于NTC較為常用，以下統(tǒng)稱NTC）用于溫度（檢測），如圖1所示。在實際應(yīng)用中，（工程師）最直接也是最常見的一個問題就是：我檢測到了NTC的溫度，那么IGBT真實的結(jié)溫是多少？或者是：IGBT（芯片）和NTC之間的溫差是多少？

很顯然，IGBT結(jié)溫才是變頻器/變流器/（逆變器）（以下統(tǒng)稱逆變器）設(shè)計中大家關(guān)心的問題。原因很簡單，IGBT有操作結(jié)溫要求（比如IGBT4的Tjop不超過150°C），長時間超出這個溫度IGBT會過熱失效。同時，就算結(jié)溫不超過要求，某些應(yīng)用中也要考慮大的結(jié)溫波動帶來的壽命問題。如果IGBT選型或熱設(shè)計中留的裕量太大，又會導(dǎo)致IGBT器件或散熱成本增加。所以在設(shè)計時就必須要弄清楚IGBT在各種可能的運行工況下（額定、過載、堵轉(zhuǎn)、整流、逆變……）的結(jié)溫，以實現(xiàn)經(jīng)濟可靠的設(shè)計。

IGBT結(jié)溫測量/計算的目的

1.過溫保護

過溫保護是逆變器常見的也是重要的保護之一。為了避免IGBT過熱損壞，設(shè)計時通常會在軟件中設(shè)定NTC或散熱器上靠近IGBT模塊的熱電偶的溫度保護點。那么這個保護點溫度該設(shè)多少？90°C？100°C？還是可以更高？依據(jù)是什么？這就需要知道IGBT真實的結(jié)溫，從而找到合理的NTC溫度保護點。

需要強調(diào)的是，IGBT在不同工況下，相同位置芯片的結(jié)溫可能會發(fā)生較大的變化，這會導(dǎo)致NTC的溫度也會發(fā)生較大變化。因此，采用一個溫度保護點很有可能保護不了所有工況，需要在設(shè)計時充分評估。以下以一個T型三電平的例子簡要說明這個問題。

(a)

逆變工況（PF=0.95）

(b)

整流工況（PF=-0.95）

圖2：SEMiX5T型三電平IGBT溫度分布

圖2可以看出，當逆變器工作在逆變工況時，T1管的損耗最大（287W）、溫度最高（126°C），由于NTC的位置靠T1管很近，其溫度達到102°C。當逆變器工作在整流工況時，T2管的損耗最大（187W）、溫度最高（146°C），由于NTC的位置離T2管很遠，其溫度為只有95°C。如果NTC的溫度達到100°C（假設(shè)仍然在溫度保護點范圍內(nèi)），T2管的溫度已經(jīng)超過150°C，就會導(dǎo)致過熱失效，但溫度保護并沒有動作。

2.性能優(yōu)化

逆變器的輸出（電流）能力和應(yīng)用工況和應(yīng)用環(huán)境相關(guān)。為了逆變器能可靠運行，IGBT的結(jié)溫不超過最高操作結(jié)溫（一般會留10-15°C的安全裕量），工程師在設(shè)計過程中通常會以最嚴酷的工作條件和環(huán)境溫度設(shè)置最大電流保護點。這就會在實際運行條件沒有那么嚴酷的情況下形成“過保護”，從而限制逆變器的最大電流輸出能力。比如，電動汽車在起步過程中要求逆變器能夠最大程度輸出電流以提（供電）機大扭矩實現(xiàn)快速加速，然而由于最大電流保護點的限制，最大電流只能工作在保護點以下。但很多情況下，逆變器的水溫都低于或遠低于設(shè)計時的水溫要求（通常65°C），同時隨著車速的提升，逆變器的輸出頻率也快速增加，IGBT結(jié)溫波動大幅降低，逆變器完全有能力可靠工作在保護電流點以上，以實現(xiàn)更優(yōu)的加速性能。換句話說就是，在逆變器運行過程中，如果你能準確的計算IGBT的結(jié)溫，你就能更靈活的調(diào)節(jié)最大電流工作點，從而實現(xiàn)逆變器的最佳輸出性能。

3.壽命預(yù)測

在一些負載動態(tài)變化快（如伺服逆變器），（電機）頻繁加減速（如電動汽車逆變器、電梯（控制器）、（機器人）控制器），以及輸出頻率低（風電變流器發(fā)電機側(cè)）的應(yīng)用場景，越來越多的廠家對逆變器的運行壽命提出了要求，很多在設(shè)計時就要求計算逆變器的運行壽命。也有一些廠家已經(jīng)嘗試或正在考慮將壽命模型集成到軟件中，從而能實時了解逆變器的壽命消耗狀況。然而這并不是件容易的事，還有很多工作需要探索。明確的是這些工作的前提是你需要能實時計算IGBT的結(jié)溫。

從以上結(jié)溫測量/計算的目的可以看出，對于“過溫保護”，我們需要在樣機設(shè)計時對IGBT結(jié)溫進行測量，從而能合理評估NTC或散熱器上熱電偶的溫度保護點；而對于“性能優(yōu)化”和“壽命計算”，我們需要對IGBT結(jié)溫進行計算，從而能實時了解IGBT的結(jié)溫。

如何測量IGBT的結(jié)溫？

由于IGBT芯片在模塊內(nèi)部，且表面通常都覆有硅膠，標準IGBT模塊直接測量結(jié)溫幾乎是不可能的。因此，需要IGBT生產(chǎn)廠家做一定的處理提供專門用于結(jié)溫測試的樣品。以下為應(yīng)用端兩種常見的測量方法：

1.芯片表面貼熱電偶

IGBT模塊廠家預(yù)先在某些芯片表面貼上熱電偶（如圖3所示），樣機測試時可以通過數(shù)據(jù)采集儀讀取芯片溫度。

圖3：SEMiX3pIGBT芯片表面貼熱電偶

需要注意的是，貼在芯片表面的熱電偶金屬線也能帶走部分芯片的熱量，會導(dǎo)致5-15°C的測量誤差。

另外，在測量時必須要做好熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀之間的電位隔離，否則可能會造成人員傷亡和測試儀器損壞。

2.（紅外）熱成像儀

IGBT模塊廠家可以提供內(nèi)部不帶硅膠的模塊，這樣就可以用高分辨率的熱成像儀準確測量到芯片的溫度（如圖4所示），但對于芯片上方有母排連接的模塊不適用。

圖4：SEMiX3pIGBT熱成像儀照片

需要注意的是，為了提高測試精度，在成像之前建議在芯片表面噴涂顯像劑。

如何計算IGBT的結(jié)溫？

在IGBT中，NTC的溫度可以被準確測量，因此可以通過NTC的溫度來計算IGBT的結(jié)溫。即，

Tj=PxRth(j-r)+Tr

Tj:IGBT的結(jié)溫

Tr:NTC的溫度

P:IGBT損耗

Rth(j-r):IGBT芯片和NTC之間的熱阻

從這個公式可以看出，要計算IGBT的結(jié)溫，就需要先知道IGBT芯片和NTC之間的熱阻。有些工程師會問，IGBT規(guī)格書中都能給出IGBT結(jié)-殼熱阻Rth(j-c)或結(jié)-散熱器熱阻Rth(j-s)，為什么不能直接給出結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)？這樣我就可以通過NTC直接計算結(jié)溫了。

1.為什么IGBT廠家給不出結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)？

這里先看一個簡單的例子。

下圖是一個CIB模塊（7單元）在散熱器上的熱（仿真）結(jié)果。從圖上可以看出，模塊的位置和方向發(fā)生變化后，盡管最熱IGBT芯片的結(jié)溫一樣（142°C），但NTC的溫度卻發(fā)生了10°C的變化，這就會導(dǎo)致兩個設(shè)計中IGBT結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)不一樣，所以IGBT廠家單從模塊方面是無法在規(guī)格書中給出結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)，這個熱阻必須要結(jié)合實際設(shè)計才能給出。

圖5：模塊安裝位置對NTC溫度的影響

當然，IGBT的結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)除了和位置有關(guān)，還和以下很多因素有關(guān)：

冷卻方式（風冷還是液冷）

散熱器材質(zhì)

導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱率和厚度

模塊之間的距離

IGBT模塊的工況（可以參考圖2）

因此，IGBT的結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)必須要在給定的散熱設(shè)計下才能測試得到。那么如何測試這個熱阻Rth(j-r)？或者更準確的說，如何測試熱阻抗Zth(j-r)？

2.

如何測試熱阻抗Zth(j-r)？

前面提到可以采用“芯片表面貼熱電偶”或“紅外熱成像儀”的方法測量結(jié)溫，再結(jié)合NTC的溫度和IGBT的損耗，理論上是可以計算出熱阻Rth(j-r)。但由于熱電偶響應(yīng)時間和熱成像儀的刷新率都相對較慢，無法測試動態(tài)熱阻抗Zth(j-r)，所以IGBT廠家一般采用Vce結(jié)溫測量法來測量IGBT的熱阻和熱阻抗曲線。

Vce結(jié)溫測量法如圖6所示。IGBT在小電流（10-100mA）條件下，集-射極壓降Vce和結(jié)溫Tj成線性比例關(guān)系，這個關(guān)系可以通過不同溫度下測量Vce值的方法校正出來。這樣在IGBT熱阻測試時就可以通過小電流下Vce的測量值推算出實際的結(jié)溫。這種結(jié)溫測量方法的好處是測量準確，同時也能測量動態(tài)結(jié)溫變化。

圖6：Vce結(jié)溫測量法

需要注意的是，考慮到芯片之間的熱（耦合），建議測試時器件的發(fā)熱情況盡量接近真實運行工況，比如常見的三相半橋拓撲（6單元），可以將6個IGBT開關(guān)串聯(lián)在一起通直流電流加熱?；蛘吒_的方式是在串聯(lián)的6個IGBT開關(guān)和6個（二極管）上通交流電流，電流正半周流過IGBT，負半周流過二極管，這樣的話就能把所有器件之間的熱耦合考慮進來。

穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計算

當逆變器處于穩(wěn)態(tài)運行，或者準穩(wěn)態(tài)運行（負載變化較慢）時，我們可以采用IGBT單個開關(guān)的平均損耗和結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)來計算IGBT的結(jié)溫（見圖7）。這里假設(shè)IGBT模塊中每個IGBT開關(guān)的損耗和結(jié)溫都是一致的，所以采用一個相同的熱阻Rth(j-r)就可以了。

圖7：穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計算

動態(tài)結(jié)溫計算

對于沖擊型負載（負載短時大幅變化），如伺服控制器要求3倍過載1-3秒，電動汽車控制器要求堵轉(zhuǎn)1-5秒，穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計算方法就不再適用。一方面，在幾秒時間內(nèi)IGBT的結(jié)溫處于動態(tài)增加的過程，這就需要采用結(jié)-NTC的暫態(tài)熱抗Zth(j-r)來計算；另一方面，每個IGBT開關(guān)的損耗和結(jié)溫可能會不一致，比如在電動汽車堵轉(zhuǎn)時，6個IGBT開關(guān)只有一個IGBT承受較大的電流，而其它5個IGBT的電流相對較小或為零，這就會導(dǎo)致每個IGBT開關(guān)和NTC之間的熱阻抗都不一樣。因此，在做熱阻抗測量時要分別對每個IGBT開關(guān)測量。

1.

IGBT結(jié)到NTC的暫態(tài)熱阻抗Zth(j-r)

圖9是賽米控SEMiX603GB12E4p模塊在液冷散熱條件下IGBT結(jié)溫和NTC之間的熱阻抗曲線（綠色），在計算時可采用Foster熱阻抗模型（多階RC串聯(lián)）。

圖9：IGBT結(jié)到NTC的暫態(tài)熱阻抗Zth(j-r)

到這里大家可以看到，動態(tài)結(jié)溫采用熱阻抗Zth(j-r)的計算工作量要比穩(wěn)態(tài)采用熱阻Rth(j-r)大很多。實際上，為了能精確計算動態(tài)結(jié)溫，還要考慮熱耦合的影響。由于每個開關(guān)的損耗和結(jié)溫并不一致，我們在測量熱阻抗Zth(j-r)只能針對每個開關(guān)測量，而這又忽略了其他開關(guān)對被測開關(guān)和NTC熱的影響。

圖10描述了一個半橋模塊內(nèi)部各開關(guān)之間的熱耦合。這里以上橋IGBT（TOPIGBT）為例，它除了自身發(fā)熱對NTC的溫度產(chǎn)生影響，對應(yīng)結(jié)到NTC的熱阻為Rth(j-r)_self，其它發(fā)熱開關(guān)：下橋IGBT（BOTIGBT）、上橋二極管（TOP（Diode））、下橋二極管（BOTDiode），都會對上橋IGBT和NTC之間的溫差產(chǎn)生影響，對應(yīng)的熱阻為Rth(j-r)_switch2、Rth(j-r)_switch3、Rth(j-r)_switch4。需要注意的是，這些熱阻表征的是其它開關(guān)對上橋IGBT和NTC之間溫度的影響程度，其值甚至也可以是負值。

圖10：半橋模塊內(nèi)部各開關(guān)之間的熱耦合

因此，對一個半橋IGBT模塊，有4個開關(guān)器件（上、下橋IGBT和二極管），每個開關(guān)和NTC之間的溫度關(guān)系需要用4個熱阻來表示，這樣就形成了一個熱阻矩陣來充分表征一個模塊中開關(guān)器件和NTC之間的溫度