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IGBT模塊中通常都會(huì)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(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師最直接也是最常見的一個(gè)問題就是：我檢測(cè)到了NTC的溫度，那么IGBT真實(shí)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(jì)中大家關(guān)心的問題。原因很簡(jiǎn)單，IGBT有操作結(jié)溫要求（比如IGBT4的Tjop不超過150°C），長(zhǎng)時(shí)間超出這個(gè)溫度IGBT會(huì)過熱失效。同時(shí)，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(dòng)帶來的壽命問題。如果IGBT選型或熱設(shè)計(jì)中留的裕量太大，又會(huì)導(dǎo)致IGBT器件或散熱成本增加。所以在設(shè)計(jì)時(shí)就必須要弄清楚IGBT在各種可能的運(yùn)行工況下（額定、過載、堵轉(zhuǎn)、整流、逆變……）的結(jié)溫，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可靠的設(shè)計(jì)。
IGBT結(jié)溫測(cè)量/計(jì)算的目的
1. 過溫保護(hù)
過溫保護(hù)是逆變器常見的也是重要的保護(hù)之一。為了避免IGBT過熱損壞，設(shè)計(jì)時(shí)通常會(huì)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(hù)點(diǎn)。那么這個(gè)保護(hù)點(diǎn)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(shí)的結(jié)溫，從而找到合理的NTC溫度保護(hù)點(diǎn)。
需要強(qiáng)調(diào)的是，IGBT在不同工況下，相同位置芯片的結(jié)溫可能會(huì)發(fā)生較大的變化，這會(huì)導(dǎo)致NTC的溫度也會(huì)發(fā)生較大變化。因此，采用一個(gè)溫度保護(hù)點(diǎn)很有可能保護(hù)不了所有工況，需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分評(píng)估。以下以一個(gè)T型三電平的例子簡(jiǎn)要說明這個(gè)問題。
(a)????逆變工況（PF=0.95）
(b)????整流工況（PF=-0.95）
圖2：三電平IGBT溫度分布
圖2可以看出，當(dāng)逆變器工作在逆變工況時(shí)，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(dá)到102°C。當(dāng)逆變器工作在整流工況時(shí)，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(yuǎn)，其溫度為只有95°C。如果NTC的溫度達(dá)到100°C（假設(shè)仍然在溫度保護(hù)點(diǎn)范圍內(nèi)），T2管的溫度已經(jīng)超過150°C，就會(huì)導(dǎo)致過熱失效，但溫度保護(hù)并沒有動(dòng)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(yùn)行，IGBT的結(jié)溫不超過最高操作結(jié)溫（一般會(huì)留10 - 15°C的安全裕量），工程師在設(shè)計(jì)過程中通常會(huì)以最嚴(yán)酷的工作條件和環(huán)境溫度設(shè)置最大電流保護(hù)點(diǎn)。這就會(huì)在實(shí)際運(yùn)行條件沒有那么嚴(yán)酷的情況下形成“過保護(hù)”，從而限制逆變器的最大電流輸出能力。比如，電動(dòng)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(jī)大扭矩實(shí)現(xiàn)快速加速，然而由于最大電流保護(hù)點(diǎn)的限制，最大電流只能工作在保護(hù)點(diǎn)以下。但很多情況下，逆變器的水溫都低于或遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的水溫要求（通常65°C），同時(shí)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(dòng)大幅降低，逆變器完全有能力可靠工作在保護(hù)電流點(diǎn)以上，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的加速性能。換句話說就是，在逆變器運(yùn)行過程中，如果你能準(zhǔn)確的計(jì)算IGBT的結(jié)溫，你就能更靈活的調(diào)節(jié)最大電流工作點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)逆變器的最佳輸出性能。
3. 壽命預(yù)測(cè)
在一些負(fù)載動(dòng)態(tài)變化快（如伺服逆變器），電機(jī)頻繁加減速（如電動(dòng)汽車逆變器、電梯控制器、機(jī)器人控制器），以及輸出頻率低（風(fēng)電變流器發(fā)電機(jī)側(cè)）的應(yīng)用場(chǎng)景，越來越多的廠家對(duì)逆變器的運(yùn)行壽命提出了要求，很多在設(shè)計(jì)時(shí)就要求計(jì)算逆變器的運(yùn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)計(jì)算IGBT的結(jié)溫。
從以上結(jié)溫測(cè)量/計(jì)算的目的可以看出，對(duì)于“過溫保護(hù)”，我們需要在樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)IGBT結(jié)溫進(jìn)行測(cè)量，從而能合理評(píng)估NTC或散熱器上熱電偶的溫度保護(hù)點(diǎn)；而對(duì)于“性能優(yōu)化”和“壽命計(jì)算”，我們需要對(duì)IGBT結(jié)溫進(jìn)行計(jì)算，從而能實(shí)時(shí)了解IGBT的結(jié)溫。
如何測(cè)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(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊直接測(cè)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(cè)試的樣品。以下為應(yīng)用端兩種常見的測(cè)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(jī)測(cè)試時(shí)可以通過數(shù)據(jù)采集儀讀取芯片溫度。
圖3：SEMiX3p IGBT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(huì)導(dǎo)致5- 15°C的測(cè)量誤差。
另外，在測(cè)量時(shí)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(huì)造成人員傷亡和測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量到芯片的溫度（如圖4所示），但對(duì)于芯片上方有母排連接的模塊不適用。
圖4：SEMiX3p IGBT熱成像儀照片
需要注意的是，為了提高測(cè)試精度，在成像之前建議在芯片表面噴涂顯像劑。
如何計(jì)算IGBT的結(jié)溫？
在IGBT中，NTC的溫度可以被準(zhǔn)確測(cè)量，因此可以通過NTC的溫度來計(jì)算IGBT的結(jié)溫。即，
Tj=P x Rth(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(gè)公式可以看出，要計(jì)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(huì)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(jì)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(gè)簡(jiǎn)單的例子。
下圖是一個(gè)7單元模塊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(huì)導(dǎo)致兩個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)熱阻必須要結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)才能給出。
圖5：模塊安裝位置對(duì)NTC溫度的影響
當(dāng)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(fēng)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(jì)下才能測(cè)試得到。那么如何測(cè)試這個(gè)熱阻Rth(j-r)？或者更準(zhǔn)確的說，如何測(cè)試熱阻抗Zth(j-r)？
2. ?如何測(cè)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(cè)量結(jié)溫，再結(jié)合NTC的溫度和IGBT的損耗，理論上是可以計(jì)算出熱阻Rth(j-r)。但由于熱電偶響應(yīng)時(shí)間和熱成像儀的刷新率都相對(duì)較慢，無法測(cè)試動(dòng)態(tài)熱阻抗Zth(j-r)，所以IGBT廠家一般采用Vce結(jié)溫測(cè)量法來測(cè)量IGBT的熱阻和熱阻抗曲線。
Vce結(jié)溫測(cè)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(gè)關(guān)系可以通過不同溫度下測(cè)量Vce值的方法校正出來。這樣在IGBT熱阻測(cè)試時(shí)就可以通過小電流下Vce的測(cè)量值推算出實(shí)際的結(jié)溫。這種結(jié)溫測(cè)量方法的好處是測(cè)量準(zhǔn)確，同時(shí)也能測(cè)量動(dòng)態(tài)結(jié)溫變化。
圖6：Vce結(jié)溫測(cè)量法
需要注意的是，考慮到芯片之間的熱耦合，建議測(cè)試時(shí)器件的發(fā)熱情況盡量接近真實(shí)運(yùn)行工況，比如常見的三相半橋拓?fù)洌?單元），可以將6個(gè)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(gè)IGBT開關(guān)和6個(gè)二極管上通交流電流，電流正半周流過IGBT，負(fù)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(jìn)來。
穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算
當(dāng)逆變器處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，或者準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行（負(fù)載變化較慢）時(shí)，我們可以采用IGBT單個(gè)開關(guān)的平均損耗和結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)來計(jì)算IGBT的結(jié)溫（見圖7）。這里假設(shè)IGBT模塊中每個(gè)IGBT開關(guān)的損耗和結(jié)溫都是一致的，所以采用一個(gè)相同的熱阻Rth(j-r)就可以了。
圖7：穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算
需要注意的是，計(jì)算損耗的參數(shù)（如Vce0, Rce, Eon, Eoff）和結(jié)溫都是正相關(guān)的，所以在計(jì)算時(shí)需要做多次迭代處理直到結(jié)溫接近穩(wěn)定。
另外一個(gè)問題是這種穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法得到的結(jié)溫是平均結(jié)溫，不能反映結(jié)溫的波動(dòng)，在輸出基波頻率10Hz以下時(shí)，結(jié)溫波動(dòng)會(huì)很明顯。要計(jì)算IGBT的最高結(jié)溫，一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是采用基波頻率結(jié)溫校正系數(shù)對(duì)平均結(jié)溫進(jìn)行校正，如圖8所示，這個(gè)結(jié)溫校正系數(shù)和器件的熱阻抗相關(guān)。
圖8：基波頻率結(jié)溫校正系數(shù)
動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算
對(duì)于沖擊型負(fù)載（負(fù)載短時(shí)大幅變化），如伺服控制器要求3倍過載1-3秒，電動(dòng)汽車控制器要求堵轉(zhuǎn)1-5秒，穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計(jì)算方法就不再適用。一方面，在幾秒時(shí)間內(nèi)IGBT的結(jié)溫處于動(dòng)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(jì)算；另一方面，每個(gè)IGBT開關(guān)的損耗和結(jié)溫可能會(huì)不一致，比如在電動(dòng)汽車堵轉(zhuǎn)時(shí)，6個(gè)IGBT開關(guān)只有一個(gè)IGBT承受較大的電流，而其它5個(gè)IGBT的電流相對(duì)較小或?yàn)榱?，這就會(huì)導(dǎo)致每個(gè)IGBT開關(guān)和NTC之間的熱阻抗都不一樣。因此，在做熱阻抗測(cè)量時(shí)要分別對(duì)每個(gè)IGBT開關(guān)測(cè)量。
1. ?IGBT結(jié)到NTC的暫態(tài)熱阻抗Zth(j-r)? ?
圖9是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(jì)算時(shí)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(dòng)態(tài)結(jié)溫采用熱阻抗Zth(j-r)的計(jì)算工作量要比穩(wěn)態(tài)采用熱阻Rth(j-r)大很多。實(shí)際上，為了能精確計(jì)算動(dòng)態(tài)結(jié)溫，還要考慮熱耦合的影響。由于每個(gè)開關(guān)的損耗和結(jié)溫并不一致，我們?cè)跍y(cè)量熱阻抗Zth(j-r)只能針對(duì)每個(gè)開關(guān)測(cè)量，而這又忽略了其他開關(guān)對(duì)被測(cè)開關(guān)和NTC熱的影響。
圖10描述了一個(gè)半橋模塊內(nèi)部各開關(guān)之間的熱耦合。這里以上橋IGBT（TOP IGBT）為例，它除了自身發(fā)熱對(duì)NTC的溫度產(chǎn)生影響，對(duì)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（BOT IGBT）、上橋二極管（TOP Diode）、下橋二極管（BOT Diode），都會(huì)對(duì)上橋IGBT和NTC之間的溫差產(chǎn)生影響，對(duì)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(duì)上橋IGBT和NTC之間溫度的影響程度，其值甚至也可以是負(fù)值。
圖10：半橋模塊內(nèi)部各開關(guān)之間的熱耦合
因此，對(duì)一個(gè)半橋IGBT模塊，有4個(gè)開關(guān)器件（上、下橋IGBT和二極管），每個(gè)開關(guān)和NTC之間的溫度關(guān)系需要用4個(gè)熱阻來表示，這樣就形成了一個(gè)熱阻矩陣來充分表征一個(gè)模塊中開關(guān)器件和NTC之間的溫度關(guān)系，如表1所示。對(duì)于動(dòng)態(tài)結(jié)溫，這些熱阻同樣需要采用熱阻抗來計(jì)算。
表1：半橋模塊的熱阻矩陣
2. ?動(dòng)態(tài)損耗計(jì)算
同樣，要計(jì)算動(dòng)態(tài)結(jié)溫，平均損耗計(jì)算方法也不再適用，需要在每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)算IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，計(jì)算公式如下：
3. ?動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算
有了各個(gè)開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)損耗，在結(jié)合測(cè)量的動(dòng)態(tài)熱阻抗曲線，就可以以載波頻率對(duì)應(yīng)的步長(zhǎng)實(shí)時(shí)計(jì)算IGBT的動(dòng)態(tài)結(jié)溫，計(jì)算公式如下：
審核編輯：湯梓紅
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