IGBT模塊中NTC的應用指南

概述

熱設計是電力電子系統設計中重要的一環，其中電力電子器件結溫是一個最重要的參數。一般IGBT模塊中會配置負溫度系數（Negative Temperature Cofficient）熱敏電阻；或者實際應用中，在散熱器上安裝NTC，來監測溫度。除此之外，有些廠家也推出了帶片上溫度傳感器的IGBT芯片，可以實現直接的溫度檢測。不過由于片上溫度檢測會占用芯片的有效面積，降低載流能力，并不具有普遍的應用性。本文從下面幾個方面來聊一聊NTC的應用：1，NTC溫度與芯片結溫的關系；2，NTC介紹；3，NTC溫度采樣設計。

NTC溫度和結溫的關系

在IGBT應用系統中，我們只能監測到NTC的溫度。為了保證系統的安全可靠運行，我們必須控制芯片的結溫在一定的溫度范圍內。那么，就需要了解芯片結溫和NTC溫度的關系。

首先要從NTC在整個模塊中的位置說起。一般的NTC在IGBT模塊內部有兩種布置形式，一種是NTC與芯片放在同一個DCB上，另一種是NTC與芯片放在不同的DCB上。圖中紅圈內即為NTC電阻。

NTC與芯片在不同的DCB上 ，其熱傳遞路徑和等效熱模型如下面圖2和圖3所示。圖3中，Pj表示芯片發熱功耗，Tj、Tc、Ts、Ta、TNTC分別代表結溫、殼溫、散熱器溫度、環境溫度和NTC溫度。從圖2中可以看出，NTC僅僅受到從基板上傳來熱量的影響，有一條熱量傳播路徑。

圖 2 模塊的層次結構以及NTC的熱傳導路徑

圖 3 NTC的熱傳導模型

上面等效熱模型圖中，我們假設流經NTC這條路徑的功耗為 PNTC ，那么NTC的溫度就可以用下面的公式來計算：

NTC在模塊中，包括芯片，一般會用硅凝膠封住。硅凝膠的導熱系數較小，比空氣還小，且硅凝膠沒有流動。因此，NTC到硅凝膠的熱阻非常大*，比RthCNTC*要大得多。同時，考慮到 *PNTC *也比較小，上式可以簡化得到下面公式，即NTC的溫度接近（小于）模塊基板的溫度。也就是說NTC監測的溫度是模塊基板的溫度。

NTC與芯片在同一塊DCB上 ，其熱傳遞路徑和等效熱模型如下面圖4和圖5所示。從圖4中可以看出，由于在同一塊DCB上，NTC除了受到從底板上傳來熱量的影響之外，還有一條DCB 板的熱傳播路徑，其等效熱模型也多一條耦合路徑。由于受到DCB板熱耦合的影響，NTC的溫度會高于基板的問題。一般NTC與芯片在同一個DCB上會有不同的布局，其熱耦合模型也不盡相同，因此無法一概而論。

圖 4 模塊的層次結構以及NTC的熱傳導路徑

圖 5 NTC的熱傳導模型

為了更直觀的體現熱阻和溫度傳播在不同堆層之間的差異，下面采用實際例子進行仿真計算。該仿真計算以英飛凌FS150R12KT4為例，計算了從芯片到散熱器之間各層的熱阻，。從英飛凌網站可以查詢到該模塊采用的IGBT芯片的型號為IGC142T120T8RL。DCB絕緣層為氧化鋁（Al2O3）,厚度為0.38mm。芯片和DCB均采用焊接工藝?；宀捎?mm厚銅基板。經過仿真計算可以得到如下圖6所示的熱阻分布（僅僅作為示意，不具有通用性！不同模塊的熱阻分布會有差異）?？梢钥闯稣麄€模塊結構中，超過60%的熱阻是由DCB的陶瓷層產生的。從系統中來看，DCB陶瓷層，和導熱硅脂的熱阻遠大于其他堆層。

圖 6 模塊的熱阻分布圖

根據上述的熱阻值，我們假設模塊中IGBT芯片產生了100W的熱量，散熱器的溫度為95℃。我們計算穩態情況下，熱量傳播在各層產生的溫升如下圖7所示：

圖 7 模塊的溫升分布圖

從圖7中可以看出，DCB陶瓷層，和導熱硅脂層產生的溫差較大。除此之外，其他層之間溫差較小。據此我們可以得出結論，即使NTC與芯片安裝在同一個DCB上，受到DCB銅層的熱耦合影響。我們依舊可以認為，它檢測的溫度依舊是接近于銅基板的溫度?？紤]到很多時候，這個NTC往往會放在模塊靠近DCB中心的位置，溫度會比銅基板稍微高一些，也有一些模塊NTC放置在模塊邊緣位置，且在單獨的一塊DCB板上，比如PrimePACK封裝。這種情況下NTC的溫度是要比銅基板的低的。

還有一點就是熱的擴散效應，從發熱中心點到周圍的溫度是階梯降低的。但是由于銅基板較厚，導熱系數非常大，橫向熱阻非常低。即使考慮熱擴散效應，在模塊的整個銅基板上，橫向熱溫差也是很小的。如上述計算，整個銅基板縱向熱傳播方向產生的溫差不過2℃。橫向來看，擴散效應在銅基板上產生的溫差是可以忽略不計的。

英飛凌在AN2009-10中指出，依據經驗，建議用戶在設計中，設定NTC的溫度比散熱器溫度高出10℃。依據上面的仿真計算結果，對于NTC單獨放置，不與芯片在同一個DCB上，可以認為這個經驗值是有參考意義的，對于NTC與芯片放置在同一塊DCB上，這個數值應該適當調整高一些。不過不同硅脂的導熱系數不一樣，會有較大的差異。因此，在系統設計過程中，直接應用NTC的溫度等同于基板的溫度會更為準確一些。

說了那么多，那么NTC的溫度和結溫到底什么關系呢？上面已經說明，NTC監測的是模塊基板的溫度，并不能直接反應芯片的溫度。芯片結溫是動態的且變換較快。如下圖8所示，毫秒級的時間內就會變化十幾K。

圖 8 模塊結溫的動態溫升示例

但是基板的溫度變化要緩的多，且NTC本身還有較大的熱時間常數，在實際應用中，NTC通過對基板溫度的檢測一般用作系統過溫的檢測閾值（注意，不是芯片過溫監測）。結溫的限制值可以通過損耗以及模塊熱阻計算得到，如下式?？紤]到結溫的動態變化，一般廠家會建議客戶根據實際用于情況對系統進行仿真，根據最大的動態結溫來設定NTC的閾值。

基于NTC的監測溫度，也可以實現對動態結溫的實時監測。根據系統工作的電流、開關頻率、直流電壓、交流電壓等，利用損耗計算公式實時估算IGBT結溫，并設定芯片結溫限制保護閾值。

一般的，廠家也會推薦客戶對系統進行整機的熱測試，并通過在系統中配置溫度監測點來實際測量系統各個點的溫度關系，來設定NTC閾值?；蛘呤褂檬褂?a href="http://www.3532n.com/tags/紅外/" target="_blank">紅外成像儀來測量芯片溫度與NTC溫度的關系等。

NTC簡述

NTC（Negative Temperature Cofficient）負溫度系數熱敏電阻是利用混合金屬氧化物制成的熱敏陶瓷電阻。其電阻值會隨著溫度的升高而降低。溫度和電阻值的關系表達為公式如下：

依據上述公式可以通過阻值計算NTC的溫度。上述公式中B系數并不固定，它隨著溫度變化而變化。在廠家規格書中有時候會給出不同的B系數如下圖。在應用過程中，要根據不同的溫度應用不同的系數來計算，以獲得更加精確的結果。最好根據公式計算好需要的點，具體實現時在程序中通過查表獲得。

有的模塊廠家會直接給出溫度與阻值的曲線，如下圖9，這樣可以更加直接的得到阻值和溫度的關系。

*圖 9 NTC溫度關系曲線 *

NTC本身并不是一個高精密元件，有一定的容差。特別是在溫度比較低的時候，阻值比較大，容差會達到幾百歐姆。這其實影響不大，最終這算成溫度后誤差不算大。NTC廠家在NTC的規格書中會標注的信息更加詳細，包括在不同溫度下的阻值的最大值和最小值等，如下圖10（僅作為示例）。

圖 10 某型號NTC的阻值溫度對應圖

仔細看上圖會發現，在溫度為60℃左右這一段，容差是相對最小的。這是因為容差包含兩部分，一個是制造材料本身的偏差，另一個是生產工藝的偏差。一般NTC廠家設計NTC，會設計在某個具體的溫度條件下符合容差以適應目標應用。如下圖11所示，也就是在25℃這個溫度條件下，整體的誤差是最小的。前面規格書的截圖中可以看出，IGBT模塊定義容差的條件是Tc = 100℃。因為大多數的應用中，IGBT模塊基板的溫度多在100℃左右。因此，IGBT模塊設計也多選用溫度在100℃時候容差較小的NTC。

圖 11 NTC的容差組成

NTC溫度采樣

NTC內置于模塊中，但是跟模塊電氣系統確實完全隔離的。模塊內部的設計，特別是NTC和芯片在同一塊DCB上的模塊，絕緣距離是很短的。絕緣功能是靠模塊內部填充硅凝膠來實現的。當模塊出現電氣故障，爆炸或者拉弧的時候，NTC會暴露在高電壓之下。模塊爆炸損壞時波及NTC，使NTC回路引入高壓。這時需要對NTC回路進行隔離設計，以防止高電壓引入整個弱電回路，造成對系統更廣泛的損害。

NTC的采樣實現可以通過電阻分壓，測量NTC兩端的電壓來獲取NTC的阻值信息，如下圖13所示。然后通過隔離運放，或者壓頻變換通過光耦來實現對信號的傳輸和隔離，這里就不在贅述。需要注意的是，分壓電阻的選取要格外注意，電阻選取太大容易導致NTC兩端電壓過低，特別是在高溫的時候，電壓太低會影響測量精度；反過來也不能太低，否則NTC電流過大自發熱產生溫升過高更是直接影響測量結果。一般廠家會標注NTC最大功耗，在設計采樣回路選擇采樣分壓電阻的時候注意計算NTC損耗不要超過該值。