Силовая электроника №2'2010

Использование встроенного NTC-резистора для измерения температуры IGBT-модулей

Анатолий Бербенец

В статье описаны особенности использования встроенного в силовой модуль терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-резистора) для измерения температуры; рассмотрены аспекты изоляции измерительной цепи от высокого напряжения, связь сопротивления NTC с температурой перехода кристаллов IGBT; приведены примеры практической реализации схемы измерений.

Введение

Одним из наиболее важных и критичных параметров, определяющих работоспособность силовых полупроводниковых приборов, является температура перехода кристалла. В международном стандарте IEC 60747-9 для характеристики IGBT-транзисторов введено по определению несколько параметров, связанных с этой величиной:

  • Tvj — температура в области перехода полупроводникового кристалла. Значение используется для определения теплового сопротивления переход-корпус модуля RthJC, которое в свою очередь используется для тепловых расчетов. τvj не привязана жестко к температуре перехода конкретного кристалла в модуле, поэтому и получила название «температура виртуального перехода» (отсюда индекс "v" в обозначении).

  • Tvj max — значение максимальной рабочей температуры перехода кристалла, которая используется для определения максимально допустимой рас-севаемой мощности IGBT-транзистора во включенном состоянии (статический и динамический режимы). В режиме переключения (а также в режимах импульсного включения IGBT, например, при воздействии импульса тока короткого замыкания), необходимо быть уверенным, что параметры переходного режима (мгновенные значения напряжения, температуры с учетом неоднородности динамического теплового распределения в модуле) не выходят за границы области безопасной работы кристалла. А это значит, что расчетная величина Tvj и в динамических режимах не должна превышаться

  • Tvj op — рабочая температура перехода кристалла — наиболее часто используемый практически температурный параметр. Этим параметром специфицируется минимальная и максимальная рабочие температуры кристалла, в пределах которых он может работать. Максимальные значения рабочей температуры IGBT-транзисторов и модулей на их основе зависят от технологии изготовления кристаллов и для современных поколений достигают +150 °C. В таблице в качестве примера приведены Tvj для IGBT-модулей Infineon (www.infineon.com).

Таблица. Tvj для IGBT-модулей Infineon

Максимальное значение Tvj op Серии IGBT-модулей Infineon
Tv, max = 125 °C 600 В IGBT2 DLC, KL4;

1200 В IGBT2 DN2, DLC, KF4, KL4C и KS4;

1200 В IGBT3 KE3 и KT3;

1600/1700 В IGBT1 DN2 и KF4;

1700 В IGBT2 DLC и KF6;

1700 В IGBT3 KE3;

3300 В IGBT2 KF2C;

6500 В IGBT2 KF2.

Tvjop max = 150 °C 600 В IGBT3 E3; 1200 В IGBT4 P4, E4, T4; 1700 В IGBT4 P4, E4; 3300 В IGBT3 L3, E3.

Измерение темературы перехода Tvj

Измерить температуру полуроводникового кристалла в IGBT-модулях можно либо встроив датчик температуры непосредственно в силовой кристалл, либо измерив температуру подложки (основания корпуса), на которой располагается кристалл, в последующем пересчитав ее в температуру перехода, используя известные зависимости тепловой модели и тепловое сопротивление переход - корпус Rj Встраивание структуры температурного датчика в силовой кристалл отнимает от силовой части объем кристалла, который более необходим для достижения максимальных характеристик по мощности, поэтому наибольшее распространение получил второй способ, где в качестве датчика температуры используется терморезистор с от-рицательным температурным коэффициентом сопротивления (NTC-резистор).

Для достижения наилучшей тепловой связи с кремниевым кристаллом, температуру которого требуется измерить, NTC-резистор монтируется в максимальной близости от него. В зависимости от типа IGBT-модуля применяются два способа монтажа: непосредственно на поверхность керамической DCB-подложки, где также смонтированы силовые кристаллы (рис. 1), и посредством промежуточной изолированной керамической подложки, монтируемой на основание корпуса.

Рис. 1. Размещение NTC-резистора на поверхность керамической DCB-подложки

Качество изоляции NTC-резистора

Так как силовые модули предназначены для работы с высокими рабочими напряжениями (от 600 В и выше), все измерительные и управляющие цепи должны быть изолированы от силовых цепей, это отражено в спецификации модулей введением параметра «напряжение изоляции». В процессе изготовления все модули проверяются на электрическую прочность изолированных цепей в соответствии со стандартом EN50187, регламентирующим несколько качественных уровней изоляции, разделенных на функциональный и усиленный. Усиленная изоляция является обязательной для модулей, работающих в составе инверторов. В стандарте она определна как «улучшенная базовая изоляция с такими механическими и электрическими свойствами, что сама по себе обеспечивает такую же защиту от пробоя как двойная изоляция. Она может состоять из одного или более слоев изоляционного материала».

Независимо от способа размещения терморезистора, он покрывается защитным гелем в составе модуля. Но, тем не менее, в случае пробоя силового кристалла модуля существует вероятность возникновения проводящей перемычки между цепью с высоким наряжением и NTC-резистором (рис. 2). В качестве проводящей перемычки могут выступать сместившиеся в процессе короткого замыкания проволочные проводники, соединяющие контакты силового чипа с контактами модуля, а также дуга, образовавшаяся в процессе пробоя. Таким образом, в терминах стандарта EN50187, вследствие указанных причин изоляция NTC-резистора может быть квалифицирована только как функциональная. В тех случаях, когда по условиям применения (например, инвертор) модуль должен обеспечивать усиленную изоляцию измерительной цепи, применяются дополнительные изоляционные барьеры.

Рис. 2. Пример возникновения проводящей перемычки между цепью с высоким наряжением и NTC-резистором

Среди них наиболее часто использут следующие способы

  • Применение изоляционного барьера между управляющей цифровой схемой в целом и силовым модулем (цифровые изоляторы по всем входам-выходам контроллера).
  • Использование изолирующего аналогового измерительного услителя, обрабатывающего сигналы NTC-резистора.
  • Преобразование сигнала NTC-резистора в цифровой вид непосредственно у модуля с последующей передачей в контроллер с трансформаторной или оптической изоляцией.

Что измеряет NTC-резистор?

Рассмотрим NTC-резистор, смонтированный на керамическую DCB-пластину совместно с силовым чипом. Распределение тепловых потоков внутри модуля для этого случая приведено в упрощенном виде (рис. 3). Практически весь объем выделяющегося в силовом кристалле тепла «стекает» на радиатор и далее рассеивается в окружающую среду. Небольшое количество попадает через DCB-подложку на NTC-резистор. Тепловые потоки не могут изменяться мгновенно, поэтому NTC-резистор пригоден для измерения температуры корпуса IGBT-модуля только в установившихся стационарных режимах. В переходных режимах, например, при коротком замыкании, терморезистор мгновенно не отреагирует на резкое изменение температуры силового кристалла в силу большой тепловой постоянной времени измерительной цепи. И как следствие этого важный вывод: NTC-резистор не пригоден для схем защиты IGBT-модулей от короткого замыкания.

Рис. 3. Распределение тепловых потоков внутри модуля

На рис. 4 приведена эквивалентная тепловая схема, отражающая распределение тепло-вых потоков в IGBT-модуле с терморезистором. На основе этой схемы можно сделать два важных заключения:

  • В силу падения температуры (RthJNTC) вдоль пути передачи тепла от кристалла к терморезистору температура последнего должна быть меньше температуры перехода.
  • По тем же причинам температура терморезистора должна быть выше температуры радиатора.

Рис. 4. Эквивалентная тепловая схема

Из опытных данных разница температур между радиатором и NTC-резистором IGBT-модулей (в частности, Infineon) составляет около 10 К в рабочем диапазоне температур модулей. Используя приведенную эквивалентную тепловую схему, нетрудно вычислить температуру перехода кристалла через температуру NTC-резистора и полную среднюю мощность рассеяния модуля ΡV. Для этого только потребуется знать значения тепловых сопротивлений RthJC, RthCH. А эти значения приводятся в справочных данных на IGBT-модуль:

Tj =TC+PV·RthJC;

TC =TH+PV·RthCH;

TH =Tamb+PV·RthHA;

TH =Tamb+PV·ΣRth=Tamb+(RthJC+RthCH+RthHA);

TNTC ~ TH + 10 K = Tamb+PV·RthHA+10 K,

где TJ, TC, TH, TNTC, Tamb — температуры перехода, корпуса, радиатора, NTC-резистора и окружающей среды соответственно; RthJC, RthCH, RthHA — тепловые сопротивления переходов кристалл - корпус, корпус - радиатор, радиатор - окружающая среда соответственно.

Таким образом, встроенный в IGBT-модуль NTC-резистор показывает температуру радиатора, увеличенную приблизительно на 10 К, или, с учетом приводящегося в справочных данных на модуль теплового сопротивления радиатор - корпус RthCH, можно сказать, что встроенный NTC-резистор позволяет контролировать температуру корпуса IGBT-модуля.

Измерение температуры NTC-резистором. Аналоговый подход

Базовый принцип измерения температуры в этом подходе основан на схеме резистивного делителя напряжения, в нижнее плечо которого включен NTC-резистор (рис. 5), сопротивление которого уменьшается с увеличением температуры, уменьшая соответственно и напряжение UR.

Рис. 5. Схема резистивного делителя напряжения

Это напряжение после преобразования в цифровую форму подается на микропроцессор и пе-ресчитывается в значение температуры. Формула пересчета выводится из базовой зависимости сопротивления терморезистора от температуры, которая приводится в справочных данных:

где параметры для диапазона температур +25 00 °C приведены в справочных таблицах:

P25/100 = 3433 K, R25 = 5 кОм, Tl = 298,15 К.

Измерив значение UR, можно рассчитать величину сопротивления, соответствующего температуре NTC-резистора. А определив UR из выражения (1), логарифмируя, можно рассчитать температуру терморезистора (2). Эти вычисления легко могут быть выполнены микропроцессором схемы управления.

Если нет необходмости измерять температуру корпуса (радиатора) в диапазоне рабочих температур, а требуется только определить момент превышения некоторого порогового значения, достаточно дополнить схему (рис. 6) компаратором. Необходимо обратить внимание на выбор резистора К1 в делителе. Дело в том, что его величина не должна быть настолько малой, чтобы протекающий через делитель ток вызывал саморазогрев теморезистора и вносил погрешность в измерение температуры. В то же время очень большой номинал К1 значительно уменьшит полезный сигнал и увеличит погрешность измерений. Для выбора оптимальной величины К1 применим тепловой подход. Предположим, что погрешность измерения в 1 К достаточна. Тогда, зная тепловое сопротивление NTC-резистора (для IGBT-модулей Infineon RthCH = 145 К/Вт), легко вычислить максимальную мощность Pmax, которую можно рассеять в нем. В нашем примере Pmax = 6,9 мВт. Теперь определим максимальный ток делителя (мА):

где Rl00 = 493 Ом — величина сопротивления NTC-резистора при температуре 100 °C (из справочных таблиц). 100 °C — это наихудший случай, когда сопротивление NTC-резистора минимально, и в нем рассеивается максимальная мощность. Далее, если принять напряжение питания делителя равным 5 В и ток делителя в 3 мА, можем рассчитать оптимальную величину Rl = 843 Ом, которая обеспечивает погрешность измерения температуры, обусловленную током делителя, в 1 °С.

Рис. 6. Схема для измерения температуры

Существуют и другие схемотехнические подходы измерения температуры с использованием NTC-резистора, например, схема, приведенная на рис. 6, где терморезистор включен в состав RC-цепочки, подключенной к одному из входов компаратора.

Ко второму входу подключен резистивный делитель, задающий порог включения компаратора. Напряжение с выхода компаратора используется для включения транзистора Q1, обнуляющего конденсатор. Время заряда конденсатора зависит от величины сопротивления NTC-резистора, которое уменьшается с увеличением температуры. На выходе такой схемы возникает последовательность импульсов, количество которых за фиксированное время зависит от температуры терморезистора (например, растет с увеличением температуры). Далее достаточно подсчитать количество импульсов за какой-либо промежуток времени с последующим пересчетом в температуру.

Выводы

  • Мгновенное максимальное значение температуры перехода силового кристалла в наиболее напряженном режиме работы — главный критерий работоспособности силового модуля.
  • NTC-резисторы, встроенные в IGBT-модули, не могут быть использованы для измерения мгновенных значений температуры (например, для защиты модулей от токов короткого замыкания). Они предназначены для мониторинга усредненной температуры корпуса (радиатора) в стабильных режимах работы.
  • Использование встроенных NTC-резисторов для измерения температуры IGBT-модулей в составе силовых преобразовательных устройств (например, инверторов) требует применения дополнительнх мер по гальванической изоляции силовых и измеритель-ных цепей.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2010_2_28.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо