芯片的溫度是電力電子器件運(yùn)行時最重要的參數(shù)之一。測量芯片溫度的一個可行的辦法是測量底板溫度作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后通過一個熱模型來計(jì)算結(jié)溫。在英飛凌公司的很多功率模塊中，熱敏電阻，也稱作NTC，作為一個溫度傳感器集成在模塊內(nèi)部，用來方便地測量溫度。

本文詳細(xì)介紹說明了有關(guān)的隔離措施以及如何使用NTC測量溫度值。

內(nèi)部設(shè)計(jì)

NTC安裝在硅芯片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據(jù)模塊的不同，NTC或者與硅芯片安裝在同一塊DCB上，或者安裝在單獨(dú)的基板上。

圖1 (a) EconoDUALTM 3內(nèi)部的NTC安裝在靠近IGBT 的獨(dú)立的DCB上

圖1(b)沒有底板的模塊NTC，安裝在靠近硅芯片的地方

絕緣隔離措施

不管NTC處于什么位置，都被模塊內(nèi)部填充的硅膠所覆蓋，可以滿足常規(guī)工作條件下的隔離需求。如果失效，高壓側(cè)與NTC之間將產(chǎn)生導(dǎo)電通路，導(dǎo)電通路路徑如圖2所示:

圖2 擊穿失效時的導(dǎo)電通路路徑

這個導(dǎo)電通路可以由故障發(fā)生時連接線改變位置連接而成，或者擊穿時的電弧產(chǎn)生的等離子路徑形成。 出于這個原因，內(nèi)部NTC的絕緣只是滿足功能性的絕緣，如果需要加強(qiáng)隔離，需要加入外部隔離屏障。可行的方法有：

- 把高壓作為設(shè)計(jì)控制電路的參考電位，并在人可接觸部分和控制電路間加入絕緣隔離屏障層。- 使用帶有內(nèi)部隔離的運(yùn)放來檢測NTC兩端的電壓。- 使用隔離器件如磁或光耦將NTC的電壓轉(zhuǎn)化為能夠傳輸?shù)娇刂齐娐返?a target="_blank">數(shù)字信號。

NTC的散熱情況

內(nèi)置NTC的模塊內(nèi)部的熱量流動路徑如圖3所示

圖3 電力電子模塊內(nèi)部的熱量流動

芯片產(chǎn)生的大部分熱量通過散熱片直接散到環(huán)境中。除此之外，還有一部分熱量經(jīng)過DCB基板和底板傳導(dǎo)到NTC所在的位置。 由于熱量無法瞬間流動，NTC只適合測量模塊穩(wěn)態(tài)工作時的溫度。因?yàn)橄嚓P(guān)的時間常數(shù)太小，一些瞬時現(xiàn)象，比如短路時產(chǎn)生的瞬時熱量就沒辦法監(jiān)測到。

一個重要的結(jié)論，NTC不能用于短路保護(hù)!

熱傳導(dǎo)路徑的等效熱路圖如圖4所示：

圖4 等效熱路原理圖

可以得出兩個結(jié)論:

1.由于連接結(jié)到NTC的路徑RthJNTC上有溫度的降低，熱敏電阻的溫度TNTC會比結(jié)溫TJunction低。

2.由于同樣的原因，NTC的溫度會比散熱片上測量的溫度高。

由經(jīng)驗(yàn)可知，對于電力電子設(shè)備，散熱片的溫度和NTC的溫度的差值約等于10K。

如果要計(jì)算無法直接測量到的溫度值，則必須知道熱傳導(dǎo)路徑上Rth-chain的值。對于一個給定的模塊，IGBT和二極管的相應(yīng)的RthJC 和RthCH可以從數(shù)據(jù)手冊得到。

IGBT值

二極管值

圖5 英飛凌電力電子模塊數(shù)據(jù)手冊中的Rth值

根據(jù)以上數(shù)值可以使用以下公式模擬計(jì)算各點(diǎn)溫度:

如欲了解有關(guān)熱量建模和熱量計(jì)算的更多信息，請查閱英飛凌應(yīng)用手冊AN2008-03 Thermal equivalent circuit models（熱等效電路模型）。

使用模擬方法測量NTC

這一方法是基于把NTC作為分壓電路的一部分來實(shí)現(xiàn)的，如圖6所示:

圖6 利用內(nèi)部NTC構(gòu)成的分壓器

數(shù)據(jù)手冊中用兩種不同方式給出了NTC的熱特性。可以用解析方法擬合NTC的熱特性圖。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中:

對于一個較小范圍內(nèi)的溫度，為了更精確的計(jì)算，數(shù)據(jù)手冊還提供了B25/50和B25/80的值。

由測量得到的電壓UR，則實(shí)際電阻R(?) 可以計(jì)算為：

從而可推導(dǎo)出實(shí)際溫度的表達(dá)式：

根據(jù)測量得到的UR值，使用一個微處理器簡單求解這個等式就可以得到待測溫度值。如果只需最大溫度的一個閾值信號，則使用一個在預(yù)定值觸發(fā)的比較器就足夠了。

分壓器中R1的大小

應(yīng)當(dāng)認(rèn)真選擇R1的阻值。如果選得太小，流過NTC的電流產(chǎn)生的功率損耗會加熱NTC從而改變測量結(jié)果。另一方面，如果R1選擇得太大，測得的電壓太小，從而會降低測量精度。

為了將電流的影響降到最低，需要對NTC熱特性進(jìn)行分析。NTC的熱導(dǎo)率為145K/W。 如果允許溫度有1K的精度差，那么NTC內(nèi)部的功率損耗不能超過Pmax=6.9mW。假設(shè)待測溫度值為100°C，NTC的阻值為R100=493Ω。

由此可知，電流最大值可以計(jì)算為：

對于U1=5V的供電電壓和3mA的電流限定值，電阻R1為：

由于沒有這樣的標(biāo)稱電阻，因此可以選擇910Ω的阻值，使得Imax=3.56mA；在允許1K溫度偏差的情況下，可以選擇任何使得電流I<4mA的電阻。

使用數(shù)字方法測量NTC

除了用分壓電路的方法，NTC的阻值隨溫度的變化也可用于影響R-C電路的時間常數(shù)，基本電路圖如圖7所示：

圖7 采用數(shù)字方法獲得的溫度的基本原理圖

通過電阻R11和R12設(shè)置比較器的閾值來改變比較器的輸出。輸出信號Uout 用于觸發(fā)晶體管 Q1來使電容放電。 由于電容的充電是受NTC的電阻R(?)控制的，Uout是一個頻率為 fout= g(?)的脈沖。

為了從Uout得到實(shí)際的溫度值，只需要計(jì)算固定周期內(nèi)的脈沖數(shù)就可以了。脈沖數(shù)與溫度的之間的對應(yīng)關(guān)系，可以用解析表達(dá)式或用查表方式獲得，對于兩個標(biāo)定點(diǎn)之間的數(shù)值可以由插值方法得出。