如何通過熱敏電阻計算IGBT的結(jié)溫

IGBT模塊中通常都會在陶瓷基板（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，如圖1所示。在實際應(yīng)用中，工程師最直接也是最常見的一個問題就是：我檢測到了NTC的溫度，那么IGBT真實的結(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)計中大家關(guān)心的問題。原因很簡單，IGBT有操作結(jié)溫要求（比如IGBT4的Tjop不超過150°C），長時間超出這個溫度IGBT會過熱失效。同時，就算結(jié)溫不超過要求，某些應(yīng)用中也要考慮大的結(jié)溫波動帶來的壽命問題。如果IGBT選型或熱設(shè)計中留的裕量太大，又會導(dǎo)致IGBT器件或散熱成本增加。所以在設(shè)計時就必須要弄清楚IGBT在各種可能的運行工況下（額定、過載、堵轉(zhuǎn)、整流、逆變……）的結(jié)溫，以實現(xiàn)經(jīng)濟可靠的設(shè)計。

IGBT結(jié)溫測量/計算的目的

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)計時通常會在軟件中設(shè)定NTC或散熱器上靠近IGBT模塊的熱電偶的溫度保護(hù)點。那么這個保護(hù)點溫度該設(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真實的結(jié)溫，從而找到合理的NTC溫度保護(hù)點。

需要強調(diào)的是，IGBT在不同工況下，相同位置芯片的結(jié)溫可能會發(fā)生較大的變化，這會導(dǎo)致NTC的溫度也會發(fā)生較大變化。因此，采用一個溫度保護(hù)點很有可能保護(hù)不了所有工況，需要在設(shè)計時充分評估。以下以一個T型三電平的例子簡要說明這個問題。

(a)????逆變工況（PF=0.95）

(b)????整流工況（PF=-0.95）

圖2：SEMiX5 T型三電平IGBT溫度分布

圖2可以看出，當(dāng)逆變器工作在逆變工況時，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，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)點范圍內(nèi)），T2管的溫度已經(jīng)超過150°C，就會導(dǎo)致過熱失效，但溫度保護(hù)并沒有動作。

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行，IGBT的結(jié)溫不超過最高操作結(jié)溫（一般會留10 - 15°C的安全裕量），工程師在設(shè)計過程中通常會以最嚴(yán)酷的工作條件和環(huán)境溫度設(shè)置最大電流保護(hù)點。這就會在實際運行條件沒有那么嚴(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大扭矩實現(xiàn)快速加速，然而由于最大電流保護(hù)點的限制，最大電流只能工作在保護(hù)點以下。但很多情況下，逆變器的水溫都低于或遠(yuǎn)低于設(shè)計時的水溫要求（通常65°C），同時隨著車速的提升，逆變器的輸出頻率也快速增加，IGBT結(jié)溫波動大幅降低，逆變器完全有能力可靠工作在保護(hù)電流點以上，以實現(xiàn)更優(yōu)的加速性能。換句話說就是，在逆變器運行過程中，如果你能準(zhǔn)確的計算IGBT的結(jié)溫，你就能更靈活的調(diào)節(jié)最大電流工作點，從而實現(xiàn)逆變器的最佳輸出性能。

3. 壽命預(yù)測

在一些負(fù)載動態(tài)變化快（如伺服逆變器），電機頻繁加減速（如電動汽車逆變器、電梯控制器、機器人控制器），以及輸出頻率低（風(fēng)電變流器發(fā)電機側(cè)）的應(yīng)用場景，越來越多的廠家對逆變器的運行壽命提出了要求，很多在設(shè)計時就要求計算逆變器的運行壽命。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，從而能實時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時計算IGBT的結(jié)溫。

從以上結(jié)溫測量/計算的目的可以看出，對于“過溫保護(hù)”，我們需要在樣機設(shè)計時對IGBT結(jié)溫進(jìn)行測量，從而能合理評估NTC或散熱器上熱電偶的溫度保護(hù)點；而對于“性能優(yōu)化”和“壽命計算”，我們需要對IGBT結(jié)溫進(jìn)行計算，從而能實時了解IGBT的結(jié)溫。

如何測量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)溫測試的樣品。以下為應(yīng)用端兩種常見的測量方法：

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），樣機測試時可以通過數(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，會導(dǎo)致5- 15°C的測量誤差。

另外，在測量時必須要做好熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀之間的電位隔離，否則可能會造成人員傷亡和測試儀器損壞。

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)確測量到芯片的溫度（如圖4所示），但對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，為了提高測試精度，在成像之前建議在芯片表面噴涂顯像劑。

如何計算IGBT的結(jié)溫？

在IGBT中，NTC的溫度可以被準(zhǔn)確測量，因此可以通過NTC的溫度來計算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

從這個公式可以看出，要計算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)？

這里先看一個簡單的例子。

下圖是一個CIB模塊（7單元）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，這就會導(dǎo)致兩個設(shè)計中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)，這個熱阻必須要結(jié)合實際設(shè)計才能給出。

圖5：模塊安裝位置對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)計下才能測試得到。那么如何測試這個熱阻Rth(j-r)？或者更準(zhǔn)確的說，如何測試熱阻抗Zth(j-r)？

2. ?如何測試熱阻抗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”的方法測量結(jié)溫，再結(jié)合NTC的溫度和IGBT的損耗，理論上是可以計算出熱阻Rth(j-r)。但由于熱電偶響應(yīng)時間和熱成像儀的刷新率都相對較慢，無法測試動態(tài)熱阻抗Zth(j-r)，所以IGBT廠家一般采用Vce結(jié)溫測量法來測量IGBT的熱阻和熱阻抗曲線。

Vce結(jié)溫測量法如圖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，這個關(guān)系可以通過不同溫度下測量Vce值的方法校正出來。這樣在IGBT熱阻測試時就可以通過小電流下Vce的測量值推算出實際的結(jié)溫。這種結(jié)溫測量方法的好處是測量準(zhǔn)確，同時也能測量動態(tài)結(jié)溫變化。

圖6：Vce結(jié)溫測量法

需要注意的是，考慮到芯片之間的熱耦合，建議測試時器件的發(fā)熱情況盡量接近真實運行工況，比如常見的三相半橋拓?fù)洌?單元），可以將6個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IGBT開關(guān)和6個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)溫計算

當(dāng)逆變器處于穩(wěn)態(tài)運行，或者準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)運行（負(fù)載變化較慢）時，我們可以采用IGBT單個開關(guān)的平均損耗和結(jié)-NTC的熱阻Rth(j-r)來計算IGBT的結(jié)溫（見圖7）。這里假設(shè)IGBT模塊中每個IGBT開關(guān)的損耗和結(jié)溫都是一致的，所以采用一個相同的熱阻Rth(j-r)就可以了。

圖7：穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計算

動態(tài)結(jié)溫計算

對于沖擊型負(fù)載（負(fù)載短時大幅變化），如伺服控制器要求3倍過載1-3秒，電動汽車控制器要求堵轉(zhuǎn)1-5秒，穩(wěn)態(tài)結(jié)溫計算方法就不再適用。一方面，在幾秒時間內(nèi)IGBT的結(jié)溫處于動態(tài)增加的過程，這就需要采用結(jié)-NTC的暫態(tài)熱抗Zth(j-r)來計算；另一方面，每個IGBT開關(guān)的損耗和結(jié)溫可能會不一致，比如在電動汽車堵轉(zhuǎn)時，6個IGBT開關(guān)只有一個IGBT承受較大的電流，而其它5個IGBT的電流相對較小或為零，這就會導(dǎo)致每個IGBT開關(guān)和NTC之間的熱阻抗都不一樣。因此，在做熱阻抗測量時要分別對每個IGBT開關(guān)測量。

1. ?IGBT結(jié)到NTC的暫態(tài)熱阻抗Zth(j-r)? ?

圖9是賽米控SEMiX603GB12E4p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），在計算時可采用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，動態(tài)結(jié)溫采用熱阻抗Zth(j-r)的計算工作量要比穩(wěn)態(tài)采用熱阻Rth(j-r)大很多。實際上，為了能精確計算動態(tài)結(jié)溫，還要考慮熱耦合的影響。由于每個開關(guān)的損耗和結(jié)溫并不一致，我們在測量熱阻抗Zth(j-r)只能針對每個開關(guān)測量，而這又忽略了其他開關(guān)對被測開關(guān)和NTC熱的影響。

圖10描述了一個半橋模塊內(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NTC的溫度產(chǎn)生影響，對應(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），都會對上橋IGBT和NTC之間的溫差產(chǎn)生影響，對應(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，對一個半橋IGBT模塊，有4個開關(guān)器件（上、下橋IGBT和二極管），每個開關(guān)和NTC之間的溫度關(guān)系需要用4個熱阻來表示，這樣就形成了一個熱阻矩陣來充分表征一個模塊中開關(guān)器件和NTC之間的溫度關(guān)系，如表1所示。對于動態(tài)結(jié)溫，這些熱阻同樣需要采用熱阻抗來計算。

表1：半橋模塊的熱阻矩陣

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2. ?動態(tài)損耗計算

同樣，要計算動態(tài)結(jié)溫，平均損耗計算方法也不再適用，需要在每個調(diào)制周期內(nèi)實時計算IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，計算公式如下：

3. ?動態(tài)結(jié)溫計算

有了各個開關(guān)器件的動態(tài)損耗，在結(jié)合測量的動態(tài)熱阻抗曲線，就可以以載波頻率對應(yīng)的步長實時計算IGBT的動態(tài)結(jié)溫，計算公式如下：

審核編輯：湯梓紅