碳化硅功率模塊內(nèi)部的NTC電路設(shè)計(jì)思路和注意事項(xiàng)

大多數(shù)功率模塊包含一個(gè)NTC溫度傳感器，通常它是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，隨著溫度的增加其電阻會(huì)降低。因?yàn)槠涑杀据^低，NTC熱敏電阻可以作為功率模塊溫度測(cè)量和過溫保護(hù)的器件，但是其它器件如PTC正溫度系數(shù)電阻是更適合用來做具體的溫度控制應(yīng)用。使用溫度傳感器的信息相對(duì)比較容易，但是需要注意系統(tǒng)內(nèi)涉及到安全的考慮。

一、模塊內(nèi)部的NTC熱敏電阻概要

NTC熱敏電阻器是放置在靠近功率管芯的位置，在相同的陶瓷襯底上，如圖1

圖1 NTC熱敏電阻在襯底上的位置

由于自身發(fā)熱可以忽略，NTC熱敏電阻保持幾乎和功率模塊的CASE相同的溫度，同時(shí)，因?yàn)楣β誓KCASE到heatsink的熱阻RCS一般來說非常小，所以測(cè)量的溫度一般是和heat
sink溫度比較接近。NTC熱敏電阻通常不用于監(jiān)控功率模塊的結(jié)溫，因?yàn)樗鼘⑿枰患傻焦β蔰ie中，而不是這里的CASE部分，相反，結(jié)溫可以基于NTC熱敏電阻溫度，和CASE到heat
sink熱阻去估計(jì)，接下來會(huì)討論。

NTC熱敏電阻是非常有用的，因?yàn)槿缦绿匦裕鹤鳛楸Ｗo(hù)電源系統(tǒng)免于由于過熱或者過冷的系統(tǒng)故障，低成本，比熱電偶更加的敏感的響應(yīng)，容易使用，不受噪聲影響，溫度范圍和功率模塊運(yùn)行溫度范圍比較匹配等。一個(gè)NTC熱敏電阻具有一個(gè)時(shí)間常數(shù)，大概為幾秒鐘，意味著它需要幾秒鐘去檢測(cè)到功率模塊內(nèi)部的溫度改變事件。

因?yàn)樗捻憫?yīng)較慢，NTC熱敏電阻不適合檢測(cè)溫度的快速改變，因此可以僅僅用于基于溫度慢速改變而保護(hù)系統(tǒng)，NTC熱敏電阻不能用于短路或者過流保護(hù)，NTC熱敏電阻的響應(yīng)是指數(shù)型的，盡管它具有非線性，NTC熱敏電阻對(duì)于模塊溫度測(cè)量還是很有用的，原因如下：

簡單的門限電路可以用來表示一個(gè)過溫條件，接下來會(huì)討論。指數(shù)響應(yīng)可以被模擬電路處理，或者基于數(shù)字控制系統(tǒng)的軟件處理。

二、模塊內(nèi)部的NTC電路設(shè)計(jì)方法

用于功率模塊的NTC的熱敏電阻具有如下的特性，如圖2所示，

1.25C下的電阻為22kohm，50kohm。

2.B25/85的曲線擬合常數(shù)分別為3980K，3952K。

3.NTC熱敏電阻響應(yīng)方程如下，RT是熱敏電阻阻抗，T是開爾文溫度，T25是25C下的開爾文溫度，298.15K。

圖2 NTC熱敏電阻的典型特性

圖3 NTC熱敏電阻的指數(shù)響應(yīng)方程

圖4 NTC熱敏電阻比較器電路

NTC熱敏電阻可以容易的用于模塊保護(hù)場(chǎng)景，而不計(jì)算實(shí)際的熱敏電阻溫度，比較跨過NTC熱敏電阻的電壓和一個(gè)參考電壓，如果它變得太熱就停止模塊工作，以減小模塊失效的風(fēng)險(xiǎn)。如果NTC熱敏電阻放置在電阻分壓器的下端，如圖4，隨著NTC熱敏電阻的溫度增加，輸入比較器的電壓從供電電壓VREF1降低到比較器觸發(fā)電壓VREF2。

假定溫度觸發(fā)電壓需要設(shè)置在100C，比較器處的電壓分壓設(shè)置在參考電壓的一半，如VREF1/2，上面的電阻R1需要設(shè)置為和NTC在100C時(shí)的阻抗相同，熱敏電阻阻值在給定的溫度下可以使用圖3的方程1計(jì)算，或者按照查表方式得到。在這個(gè)例子下，100C時(shí)，RT=T1=3.43kohm，如果熱敏電阻溫度低于100C，比較器輸出是高電平，如果熱敏電阻溫度高于100C，比較器的輸出狀態(tài)是低電平的。

熱敏電阻NTC的位置和R1可以交換，在這個(gè)例子下，隨著溫度的增加，輸入比較器的電壓從0V增加到觸發(fā)電壓VREF2，不管R1和NTC熱敏電阻的位置如何，其時(shí)間常數(shù)和噪聲免疫度是固定的。實(shí)際應(yīng)用中，比較器需要一個(gè)滯環(huán)，電阻R1和R2需要調(diào)整一下設(shè)置一定量的滯環(huán)電壓，滯環(huán)基于比較器的輸出擺幅，通過R1//RT并聯(lián)和R2的分壓決定，假定比較器的輸出擺幅是Rail
to Rail的，如圖2所示，可以計(jì)算滯環(huán)。

圖5 計(jì)算比較器滯環(huán)電阻

為了增加NTC熱敏電阻的噪聲敏感度，這里顯示在額定溫度下幾千ohm的電阻，推薦去并聯(lián)一個(gè)電容，這個(gè)電容在圖4中是C1，必須要在10-100nF之間，即使使用100nF去耦電容，25C下的時(shí)間常數(shù)僅僅只有320微秒，它可以確保一個(gè)非常高噪聲敏感度，并且遠(yuǎn)低于NTC熱敏電阻本身的時(shí)間常數(shù)的1000倍。在大多數(shù)的情況下，10nF去耦電容是確保噪聲敏感度的足夠的容值。

需要注意一點(diǎn)，不管溫度是多少，熱敏電阻的最大功率不能超過20mW，以此確保溫度測(cè)量不受到自熱的影響。

解方程1，得到開爾文溫度，如公式2，

圖6 計(jì)算開爾文溫度

我們?nèi)糁繠25/85和T25，R25的值，例如3952K，298.15K，50K等，一旦我們確定了RT的值，我們就可以計(jì)算溫度，參考圖4，VT電壓是跨過NTC熱敏電阻的電壓，計(jì)算如圖7，這很容易。一個(gè)溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)RT值，對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓分壓。

圖7 計(jì)算熱敏電阻電壓VT

最終，我們可以解出熱敏電阻阻值，RT為如下，注意如果R1具有中性的溫度系數(shù)，則計(jì)算精度會(huì)改善。最終方程4可以帶入到方程2，去計(jì)算得到熱敏電阻的開爾文溫度。

圖8 計(jì)算熱敏電阻阻值

圖9 計(jì)算熱敏電阻溫度

基于方程5的結(jié)果，可以將開爾文溫度轉(zhuǎn)化為攝氏度，通過減去273.15實(shí)現(xiàn)。方程5看起來相當(dāng)復(fù)雜，但是可以通過數(shù)字控制系統(tǒng)中的MCU或者DSP來簡單的解出來，方程5可以用一個(gè)excel程序去創(chuàng)建一個(gè)表格，存儲(chǔ)在頭文件中，減小數(shù)字控制器中的溫度計(jì)算的運(yùn)行時(shí)間，NTC熱敏電阻保持和功率模塊CASE相同的溫度，因此熱敏電阻可以簡易的用作功率模塊基板CASE溫度Tc。

總的來說，對(duì)于NTC熱敏電阻來說，一個(gè)溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻，而基于電阻就可以確定比較器電壓，根據(jù)這個(gè)關(guān)系最終可以反推出實(shí)際測(cè)量溫度。

知道模塊的case溫度Tc，Jc熱阻，每一個(gè)die的功耗，功率模塊die的溫度可以使用如下公式計(jì)算得到，

，Heat sink溫度可以用如下公式計(jì)算，

，由于越往外溫度越低，可以得到，這里THS是heat sink溫度，P是模塊的功耗，RCS是case到heat sink的熱阻。

因?yàn)楣β誓K的case到heat sink的熱阻RCS一般是很小的，熱敏電阻的溫度可以認(rèn)為接近heat
sink的溫度，如果合適，-5到-10C的糾正可以從溫度測(cè)量中減掉，去估計(jì)heat sink的溫度，例如，基于0.1C/W的case到heat
sink熱阻，需要用糾正10C對(duì)應(yīng)于100W的模塊的功耗。

三、使用NTC電阻在系統(tǒng)安全上的考慮

極限條件下的等離子氣體產(chǎn)生，使得模塊內(nèi)部嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致功率管芯損壞，等離子體氣體的傳播是不可預(yù)測(cè)的，它可能接觸到NTC熱敏電阻，將它置于危險(xiǎn)的高壓下。使用NTC熱敏電阻的溫度監(jiān)控顯示出這部分電路具有潛在暴露在高壓中的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者需要去確保通過合適的測(cè)量，去提供可靠的絕緣。

以下是一些例子，可以獲得好的絕緣，

1.NTC熱敏電阻用于比較器電路，它和控制邏輯通過光耦隔離，通常來說，其它保護(hù)如短路，過流，過溫等都基于開關(guān)電平切換執(zhí)行，故障信號(hào)可以疊加在一起，通過相同的光耦來傳輸。

2.完整的系統(tǒng)通過合適的材料或者保護(hù)罩覆蓋。

3.每一個(gè)應(yīng)用都是獨(dú)特的，設(shè)計(jì)者必須采取最高效的方式去確保系統(tǒng)操作者的安全。

總結(jié)，上述文章簡單分析了碳化硅功率模塊內(nèi)部的NTC電路的設(shè)計(jì)思路和注意事項(xiàng)，可以對(duì)碳化硅功率模塊的這一溫度保護(hù)特性得到比較全面的認(rèn)識(shí)。