IGBT用熱敏電阻在IGBT??槲露戎械撓τ?IGBT熱敏電阻-華巨電子


NTC溫度傳感器測量IGBT??槲露?/span>

IGBT???/span>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??櫓?,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??櫓?,內部封裝有溫度傳感器(NTC)。如功率集成???/span>(PIM);六單元(EconoPACK)FS系列;三相整流橋(Econobridge);EasyPIM;EasyPACK;Easybridge;四單元H-(Econo-FourPACk);增強型半橋(Econodual+)等??檳誥庾壩?/span>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??櫚奈忍俏?/span>(Tc)。??檳詵庾暗?/span>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???,可將用于測量??榭俏碌奈露卻釁饔胄酒苯臃庾霸諭桓鎏沾苫?/span>(DCB)上,也可以將NTC安裝在一個單獨的基板上,大大簡化??榭俏碌牟飭抗?,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,??檳謔褂酶衾胗霉杞禾畛?,在正常運行條件下,它是滿足隔離電壓的要求。EUPECIGBT??樽鈧詹饈災?,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??檳?/span>NTC可能暴露在高壓下(例如:短路期間或??檣棧俸?/span>),用戶還須從外部進行安全隔離。
如圖4所示,當??檳誆慷搪飯?,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NTC,NTC帕尔马斯岛案就會暴露在高壓下,這就是用戶需在外部進行安全隔離的必要性。


3 陶瓷基板橫切面


4 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。


5 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??槲露?/span>(2)


2 應用NTC進行溫度測量
NTC熱敏電阻
安裝在IGBT???/span>DCB上,在??檳詰娜攘苛魍ㄈ縵巒濟枋?。


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??橥飪俏露?。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帕尔马斯岛案不能用于IGBT短路?;?!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??橛肷⑷繞韉慕喲ト茸?。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=500Ω,NTC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?;すδ蕓梢醞üD獾緶防詞迪?。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=3375K,R1=5KΩ,T1=298K,
T2
是檢測溫度(開氏溫標),R2T2溫度時NTC的阻值。

帕尔马泡泡:IGBT??椴問杲饉?NTC熱敏電阻

帕尔马斯岛案 www.awgwbx.com.cn 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???/span>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溫度傳感器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?;つ??。



華巨電子熱敏電阻廠家:帕尔马斯岛案 


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