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,如圖1所示。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。原因很簡單,IGBT有操作結(jié)溫要求(比如IGBT4的Tjop不超過150°C),長時(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)溫測量/計(jì)算的目的
(資料圖片)
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)充分評估。以下以一個(gè)T型三電平的例子簡要說明這個(gè)問題。
(a)逆變工況(PF=0.95)
(b)整流工況(PF=-0.95)
圖2: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(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
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)用場景,越來越多的廠家對逆變器的運(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)溫測量/計(jì)算的目的可以看出,對于“過溫保護(hù)”,我們需要在樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn);而對于“性能優(yōu)化”和“壽命計(jì)算”,我們需要對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(jī)測試時(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的測量誤差。
另外,在測量時(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(jì)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(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)簡單的例子。
下圖是一個(gè)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(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)下才能測試得到。那么如何測試這個(gè)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(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較慢,無法測試動(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(gè)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(shí)就可以通過小電流下Vce的測量值推算出實(shí)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(shí)也能測量動(dòng)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(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
動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算
對于沖擊型負(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,在做熱阻抗測量時(shí)要分別對每個(gè)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(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,我們在測量熱阻抗Zth(j-r)只能針對每個(gè)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(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(huì)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(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)合測量的動(dòng)態(tài)熱阻抗曲線,就可以以載波頻率對應(yīng)的步長實(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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