IGBT模塊中NTC的應(yīng)用指南

01

概述

熱設(shè)計(jì)是電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，其中電力電子器件結(jié)溫是一個(gè)最重要的參數(shù)。一般IGBT模塊中會(huì)配置負(fù)溫度系數(shù)（Negative Temperature Cofficient）熱敏電阻；或者實(shí)際應(yīng)用中，在散熱器上安裝NTC，來(lái)監(jiān)測(cè)溫度。除此之外，有些廠(chǎng)家也推出了帶片上溫度傳感器的IGBT芯片，可以實(shí)現(xiàn)直接的溫度檢測(cè)。不過(guò)由于片上溫度檢測(cè)會(huì)占用芯片的有效面積，降低載流能力，并不具有普遍的應(yīng)用性。本文從下面幾個(gè)方面來(lái)聊一聊NTC的應(yīng)用：1，NTC溫度與芯片結(jié)溫的關(guān)系；2，NTC介紹；3，NTC溫度采樣設(shè)計(jì)。

02

NTC溫度和結(jié)溫的關(guān)系

在IGBT應(yīng)用系統(tǒng)中，我們只能監(jiān)測(cè)到NTC的溫度。為了保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，我們必須控制芯片的結(jié)溫在一定的溫度范圍內(nèi)。那么，就需要了解芯片結(jié)溫和NTC溫度的關(guān)系。

首先要從NTC在整個(gè)模塊中的位置說(shuō)起。一般的NTC在IGBT模塊內(nèi)部有兩種布置形式，一種是NTC與芯片放在同一個(gè)DCB上，另一種是NTC與芯片放在不同的DCB上。圖中紅圈內(nèi)即為NTC電阻。

NTC與芯片在不同的DCB上 ，其熱傳遞路徑和等效熱模型如下面圖2和圖3所示。圖3中，Pj表示芯片發(fā)熱功耗，Tj、Tc、Ts、Ta、TNTC分別代表結(jié)溫、殼溫、散熱器溫度、環(huán)境溫度和NTC溫度。從圖2中可以看出，NTC僅僅受到從基板上傳來(lái)熱量的影響，有一條熱量傳播路徑。

圖 2 模塊的層次結(jié)構(gòu)以及NTC的熱傳導(dǎo)路徑

圖 3 NTC的熱傳導(dǎo)模型

上面等效熱模型圖中，我們假設(shè)流經(jīng)NTC這條路徑的功耗為 PNTC ，那么NTC的溫度就可以用下面的公式來(lái)計(jì)算：

NTC在模塊中，包括芯片，一般會(huì)用硅凝膠封住。硅凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)較小，比空氣還小，且硅凝膠沒(méi)有流動(dòng)。因此，NTC到硅凝膠的熱阻非常大*，比RthCNTC*要大得多。同時(shí)，考慮到 *PNTC *也比較小，上式可以簡(jiǎn)化得到下面公式，即NTC的溫度接近（小于）模塊基板的溫度。也就是說(shuō)NTC監(jiān)測(cè)的溫度是模塊基板的溫度。

NTC與芯片在同一塊DCB上 ，其熱傳遞路徑和等效熱模型如下面圖4和圖5所示。從圖4中可以看出，由于在同一塊DCB上，NTC除了受到從底板上傳來(lái)熱量的影響之外，還有一條DCB 板的熱傳播路徑，其等效熱模型也多一條耦合路徑。由于受到DCB板熱耦合的影響，NTC的溫度會(huì)高于基板的問(wèn)題。一般NTC與芯片在同一個(gè)DCB上會(huì)有不同的布局，其熱耦合模型也不盡相同，因此無(wú)法一概而論。

圖 4 模塊的層次結(jié)構(gòu)以及NTC的熱傳導(dǎo)路徑

圖 5 NTC的熱傳導(dǎo)模型

為了更直觀(guān)的體現(xiàn)熱阻和溫度傳播在不同堆層之間的差異，下面采用實(shí)際例子進(jìn)行仿真計(jì)算。該仿真計(jì)算以英飛凌FS150R12KT4為例，計(jì)算了從芯片到散熱器之間各層的熱阻，。從英飛凌網(wǎng)站可以查詢(xún)到該模塊采用的IGBT芯片的型號(hào)為IGC142T120T8RL。DCB絕緣層為氧化鋁（Al2O3）,厚度為0.38mm。芯片和DCB均采用焊接工藝。基板采用3mm厚銅基板。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算可以得到如下圖6所示的熱阻分布（僅僅作為示意，不具有通用性！不同模塊的熱阻分布會(huì)有差異）?？梢钥闯稣麄€(gè)模塊結(jié)構(gòu)中，超過(guò)60%的熱阻是由DCB的陶瓷層產(chǎn)生的。從系統(tǒng)中來(lái)看，DCB陶瓷層，和導(dǎo)熱硅脂的熱阻遠(yuǎn)大于其他堆層。

圖 6 模塊的熱阻分布圖

根據(jù)上述的熱阻值，我們假設(shè)模塊中IGBT芯片產(chǎn)生了100W的熱量，散熱器的溫度為95℃。我們計(jì)算穩(wěn)態(tài)情況下，熱量傳播在各層產(chǎn)生的溫升如下圖7所示：

圖 7 模塊的溫升分布圖

從圖7中可以看出，DCB陶瓷層，和導(dǎo)熱硅脂層產(chǎn)生的溫差較大。除此之外，其他層之間溫差較小。據(jù)此我們可以得出結(jié)論，即使NTC與芯片安裝在同一個(gè)DCB上，受到DCB銅層的熱耦合影響。我們依舊可以認(rèn)為，它檢測(cè)的溫度依舊是接近于銅基板的溫度。考慮到很多時(shí)候，這個(gè)NTC往往會(huì)放在模塊靠近DCB中心的位置，溫度會(huì)比銅基板稍微高一些，也有一些模塊NTC放置在模塊邊緣位置，且在單獨(dú)的一塊DCB板上，比如PrimePACK封裝。這種情況下NTC的溫度是要比銅基板的低的。

還有一點(diǎn)就是熱的擴(kuò)散效應(yīng)，從發(fā)熱中心點(diǎn)到周?chē)臏囟仁请A梯降低的。但是由于銅基板較厚，導(dǎo)熱系數(shù)非常大，橫向熱阻非常低。即使考慮熱擴(kuò)散效應(yīng)，在模塊的整個(gè)銅基板上，橫向熱溫差也是很小的。如上述計(jì)算，整個(gè)銅基板縱向熱傳播方向產(chǎn)生的溫差不過(guò)2℃。橫向來(lái)看，擴(kuò)散效應(yīng)在銅基板上產(chǎn)生的溫差是可以忽略不計(jì)的。

英飛凌在A(yíng)N2009-10中指出，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，建議用戶(hù)在設(shè)計(jì)中，設(shè)定NTC的溫度比散熱器溫度高出10℃。依據(jù)上面的仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)于NTC單獨(dú)放置，不與芯片在同一個(gè)DCB上，可以認(rèn)為這個(gè)經(jīng)驗(yàn)值是有參考意義的，對(duì)于NTC與芯片放置在 同一塊DCB上，這個(gè)數(shù)值應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整高一些。不過(guò)不同硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)不一樣，會(huì)有較大的差異。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，直接應(yīng)用NTC的溫度等同于基板的溫度會(huì)更為準(zhǔn)確一些。

說(shuō)了那么多，那么NTC的溫度和結(jié)溫到底什么關(guān)系呢？上面已經(jīng)說(shuō)明，NTC監(jiān)測(cè)的是模塊基板的溫度，并不能直接反應(yīng)芯片的溫度。芯片結(jié)溫是動(dòng)態(tài)的且變換較快。如下圖8所示，毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)就會(huì)變化十幾K。

圖 8 模塊結(jié)溫的動(dòng)態(tài)溫升示例

但是基板的溫度變化要緩的多，且NTC本身還有較大的熱時(shí)間常數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，NTC通過(guò)對(duì)基板溫度的檢測(cè)一般用作系統(tǒng)過(guò)溫的檢測(cè)閾值（注意，不是芯片過(guò)溫監(jiān)測(cè)）。結(jié)溫的限制值可以通過(guò)損耗以及模塊熱阻計(jì)算得到，如下式?？紤]到結(jié)溫的動(dòng)態(tài)變化，一般廠(chǎng)家會(huì)建議客戶(hù)根據(jù)實(shí)際用于情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)最大的動(dòng)態(tài)結(jié)溫來(lái)設(shè)定NTC的閾值。

基于NTC的監(jiān)測(cè)溫度，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)系統(tǒng)工作的電流、開(kāi)關(guān)頻率、直流電壓、交流電壓等，利用損耗計(jì)算公式實(shí)時(shí)估算IGBT結(jié)溫，并設(shè)定芯片結(jié)溫限制保護(hù)閾值。

一般的，廠(chǎng)家也會(huì)推薦客戶(hù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)的熱測(cè)試，并通過(guò)在系統(tǒng)中配置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)各個(gè)點(diǎn)的溫度關(guān)系，來(lái)設(shè)定NTC閾值?；蛘呤褂檬褂?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外成像儀來(lái)測(cè)量芯片溫度與NTC溫度的關(guān)系等。

03

NTC簡(jiǎn)述

NTC（Negative Temperature Cofficient）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是利用混合金屬氧化物制成的熱敏陶瓷電阻。其電阻值會(huì)隨著溫度的升高而降低。溫度和電阻值的關(guān)系表達(dá)為公式如下：

依據(jù)上述公式可以通過(guò)阻值計(jì)算NTC的溫度。上述公式中B系數(shù)并不固定，它隨著溫度變化而變化。在廠(chǎng)家規(guī)格書(shū)中有時(shí)候會(huì)給出不同的B系數(shù)如下圖。在應(yīng)用過(guò)程中，要根據(jù)不同的溫度應(yīng)用不同的系數(shù)來(lái)計(jì)算，以獲得更加精確的結(jié)果。最好根據(jù)公式計(jì)算好需要的點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)在程序中通過(guò)查表獲得。

有的模塊廠(chǎng)家會(huì)直接給出溫度與阻值的曲線(xiàn)，如下圖9，這樣可以更加直接的得到阻值和溫度的關(guān)系。

*圖 9 NTC溫度關(guān)系曲線(xiàn) *

NTC本身并不是一個(gè)高精密元件，有一定的容差。特別是在溫度比較低的時(shí)候，阻值比較大，容差會(huì)達(dá)到幾百歐姆。這其實(shí)影響不大，最終這算成溫度后誤差不算大。NTC廠(chǎng)家在NTC的規(guī)格書(shū)中會(huì)標(biāo)注的信息更加詳細(xì)，包括在不同溫度下的阻值的最大值和最小值等，如下圖10（僅作為示例）。

圖 10 某型號(hào)NTC的阻值溫度對(duì)應(yīng)圖

仔細(xì)看上圖會(huì)發(fā)現(xiàn)，在溫度為60℃左右這一段，容差是相對(duì)最小的。這是因?yàn)槿莶畎瑑刹糠郑粋€(gè)是制造材料本身的偏差，另一個(gè)是生產(chǎn)工藝的偏差。一般NTC廠(chǎng)家設(shè)計(jì)NTC，會(huì)設(shè)計(jì)在某個(gè)具體的溫度條件下符合容差以適應(yīng)目標(biāo)應(yīng)用。如下圖11所示，也就是在25℃這個(gè)溫度條件下，整體的誤差是最小的。前面規(guī)格書(shū)的截圖中可以看出，IGBT模塊定義容差的條件是Tc = 100℃。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的應(yīng)用中，IGBT模塊基板的溫度多在100℃左右。因此，IGBT模塊設(shè)計(jì)也多選用溫度在100℃時(shí)候容差較小的NTC。

圖 11 NTC的容差組成

04

NTC溫度采樣

NTC內(nèi)置于模塊中，但是跟模塊電氣系統(tǒng)確實(shí)完全隔離的。模塊內(nèi)部的設(shè)計(jì)，特別是NTC和芯片在同一塊DCB上的模塊，絕緣距離是很短的。絕緣功能是靠模塊內(nèi)部填充硅凝膠來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)模塊出現(xiàn)電氣故障，爆炸或者拉弧的時(shí)候，NTC會(huì)暴露在高電壓之下。模塊爆炸損壞時(shí)波及NTC，使NTC回路引入高壓。這時(shí)需要對(duì)NTC回路進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，以防止高電壓引入整個(gè)弱電回路，造成對(duì)系統(tǒng)更廣泛的損害。

NTC的采樣實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)電阻分壓，測(cè)量NTC兩端的電壓來(lái)獲取NTC的阻值信息，如下圖13所示。然后通過(guò)隔離運(yùn)放，或者壓頻變換通過(guò)光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的傳輸和隔離，這里就不在贅述。需要注意的是，分壓電阻的選取要格外注意，電阻選取太大容易導(dǎo)致NTC兩端電壓過(guò)低，特別是在高溫的時(shí)候，電壓太低會(huì)影響測(cè)量精度；反過(guò)來(lái)也不能太低，否則NTC電流過(guò)大自發(fā)熱產(chǎn)生溫升過(guò)高更是直接影響測(cè)量結(jié)果。一般廠(chǎng)家會(huì)標(biāo)注NTC最大功耗，在設(shè)計(jì)采樣回路選擇采樣分壓電阻的時(shí)候注意計(jì)算NTC損耗不要超過(guò)該值。

圖 13 NTC的分壓采樣回路

如果僅僅需要測(cè)量閾值點(diǎn)的溫度上面的測(cè)量電路已經(jīng)足夠，如果需要測(cè)量更大范圍的NTC的溫度就要注意，NTC在測(cè)量溫度范圍內(nèi)阻值變化非常大。這樣會(huì)導(dǎo)致采樣電壓變化范圍非常大，且不線(xiàn)性，同樣影響測(cè)量精度。

圖 14 NTC**并聯(lián)電阻

這就需要對(duì)上述電路進(jìn)行優(yōu)化處理，在NTC兩端并聯(lián)一個(gè)電阻，使NTC兩端的電壓變化偏于線(xiàn)性化，如上圖14所示。在NTC兩端并聯(lián)電阻Rp之后，在低溫段并聯(lián)阻值會(huì)降低很多，趨于線(xiàn)性化。這樣在大溫度范圍的測(cè)量結(jié)果都會(huì)更加精確。