通過熱敏電阻，如何計算IGBT結溫？

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IGBT模塊中通常都會在陶瓷基板（DBC）上設有熱敏電阻（NTC或PTC，由于NTC較為常用，以下統稱NTC）用于溫度檢測，如圖1所示。在實際應用中，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真實的結溫是多少？或者是：IGBT芯片和NTC之間的溫差是多少？

圖1：IGBT模塊中的NTC

很顯然，IGBT結溫才是變頻器/變流器/逆變器（以下統稱逆變器）設計中大家關心的問題。原因很簡單，IGBT有操作結溫要求（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，就算結溫不超過要求，某些應用中也要考慮大的結溫波動帶來的壽命問題。如果IGBT選型或熱設計中留的裕量太大，又會導致IGBT器件或散熱成本增加。所以在設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、整流、逆變……）的結溫，以實現經濟可靠的設計。

IGBT結溫測量/計算的目的

1. 過溫保護

過溫保護是逆變器常見的也是重要的保護之一。為了避免IGBT過熱損壞，設計時通常會在軟件中設定NTC或散熱器上靠近IGBT模塊的熱電偶的溫度保護點。那么這個保護點溫度該設多少？90°C？100°C？還是可以更高？依據是什么？這就需要知道IGBT真實的結溫，從而找到合理的NTC溫度保護點。

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

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(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，其溫度達到102°C。當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，其溫度為只有95°C。如果NTC的溫度達到100°C（假設仍然在溫度保護點范圍內），T2管的溫度已經超過150°C，就會導致過熱失效，但溫度保護并沒有動作。

2. 性能優化

逆變器的輸出電流能力和應用工況和應用環境相關。為了逆變器能可靠運行，IGBT的結溫不超過最高操作結溫（一般會留10 - 15°C的安全裕量），工程師在設計過程中通常會以最嚴酷的工作條件和環境溫度設置最大電流保護點。這就會在實際運行條件沒有那么嚴酷的情況下形成“過保護”，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快速加速，然而由于最大電流保護點的限制，最大電流只能工作在保護點以下。但很多情況下，逆變器的水溫都低于或遠低于設計時的水溫要求（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結溫波動大幅降低，逆變器完全有能力可靠工作在保護電流點以上，以實現更優的加速性能。換句話說就是，在逆變器運行過程中，如果你能準確的計算IGBT的結溫，你就能更靈活的調節最大電流工作點，從而實現逆變器的最佳輸出性能。

3. 壽命預測

在一些負載動態變化快（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（風電變流器發電機側）的應用場景，越來越多的廠家對逆變器的運行壽命提出了要求，很多在設計時就要求計算逆變器的運行壽命。也有一些廠家已經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的結溫。

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

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如何測量IGBT的結溫？

由于IGBT芯片在模塊內部，且表面通常都覆有硅膠，標準IGBT模塊直接測量結溫幾乎是不可能的。因此，需要IGBT生產廠家做一定的處理提供專門用于結溫測試的樣品。以下為應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據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據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部不帶硅膠的模塊，這樣就可以用高分辨率的熱成像儀準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。

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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的結溫？

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在IGBT中，NTC的溫度可以被準確測量，因此可以通過NTC的溫度來計算IGBT的結溫。即，

Tj=P x Rth(j-r)+ Tr

Tj: IGBT的結溫

Tr: NTC的溫度

P: IGBT損耗

Rth(j-r): IGBT芯片和NTC之間的熱阻

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從這個公式可以看出，要計算IGBT的結溫，就需要先知道IGBT芯片和NTC之間的熱阻。有些工程師會問，IGBT規格書中都能給出IGBT結-殼熱阻Rth(j-c)或結-散熱器熱阻Rth(j-s)，為什么不能直接給出結-NTC的熱阻Rth(j-r)？這樣我就可以通過NTC直接計算結溫了。

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1. 為什么IGBT廠家給不出結-NTC的熱阻Rth(j-r)？

這里先看一個簡單的例子。

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下圖是一個7單元模塊在散熱器上的熱仿真結果。從圖上可以看出，模塊的位置和方向發生變化后，盡管最熱IGBT芯片的結溫一樣（142°C），但NTC的溫度卻發生了10°C的變化，這就會導致兩個設計中IGBT結-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格書中給出結-NTC的熱阻Rth(j-r)，這個熱阻必須要結合實際設計才能給出。

圖5：模塊安裝位置對NTC溫度的影響

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當然，IGBT的結-NTC的熱阻Rth(j-r)除了和位置有關，還和以下很多因素有關：

• 冷卻方式（風冷還是液冷）

• 散熱器材質

• 導熱硅脂的導熱率和厚度

• 模塊之間的距離

• IGBT模塊的工況（可以參考圖2）

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因此，IGBT的結-NTC的熱阻Rth(j-r)必須要在給定的散熱設計下才能測試得到。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”的方法測量結溫，再結合NTC的溫度和IGBT的損耗，理論上是可以計算出熱阻Rth(j-r)。但由于熱電偶響應時間和熱成像儀的刷新率都相對較慢，無法測試動態熱阻抗Zth(j-r)，所以IGBT廠家一般采用Vce結溫測量法來測量IGBT的熱阻和熱阻抗曲線。

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Vce結溫測量法如圖6所示。IGBT在小電流（10 - 100mA）條件下，集-射極壓降Vce和結溫Tj成線性比例關系，這個關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溫。這種結溫測量方法的好處是測量準確，同時也能測量動態結溫變化。

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圖6：Vce結溫測量法

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熱情況盡量接近真實運行工況，比如常見的三相半橋拓撲（6單元），可以將6個IGBT開關串聯在一起通直流電流加熱。或者更精確的方式是在串聯的6個IGBT開關和6個二極管上通交流電流，電流正半周流過IGBT，負半周流過二極管，這樣的話就能把所有器件之間的熱耦合考慮進來。

穩態結溫計算

當逆變器處于穩態運行，或者準穩態運行（負載變化較慢）時，我們可以采用IGBT單個開關的平均損耗和結-NTC的熱阻Rth(j-r)來計算IGBT的結溫（見圖7）。這里假設IGBT模塊中每個IGBT開關的損耗和結溫都是一致的，所以采用一個相同的熱阻Rth(j-r)就可以了。

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圖7：穩態結溫計算

需要注意的是，計算損耗的參數（如Vce0, Rce, Eon, Eoff）和結溫都是正相關的，所以在計算時需要做多次迭代處理直到結溫接近穩定。

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另外一個問題是這種穩態計算方法得到的結溫是平均結溫，不能反映結溫的波動，在輸出基波頻率10Hz以下時，結溫波動會很明顯。要計算IGBT的最高結溫，一個簡單的方法是采用基波頻率結溫校正系數對平均結溫進行校正，如圖8所示，這個結溫校正系數和器件的熱阻抗相關。

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圖8：基波頻率結溫校正系數

動態結溫計算

對于沖擊型負載（負載短時大幅變化），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1-5秒，穩態結溫計算方法就不再適用。一方面，在幾秒時間內IGBT的結溫處于動態增加的過程，這就需要采用結-NTC的暫態熱抗Zth(j-r)來計算；另一方面，每個IGBT開關的損耗和結溫可能會不一致，比如在電動汽車堵轉時，6個IGBT開關只有一個IGBT承受較大的電流，而其它5個IGBT的電流相對較小或為零，這就會導致每個IGBT開關和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開關測量。

1. ?IGBT結到NTC的暫態熱阻抗Zth(j-r)? ?

圖9是模塊在液冷散熱條件下IGBT結溫和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）。

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? ? ??圖9：IGBT結到NTC的暫態熱阻抗Zth(j-r)

到這里大家可以看到，動態結溫采用熱阻抗Zth(j-r)的計算工作量要比穩態采用熱阻Rth(j-r)大很多。實際上，為了能精確計算動態結溫，還要考慮熱耦合的影響。由于每個開關的損耗和結溫并不一致，我們在測量熱阻抗Zth(j-r)只能針對每個開關測量，而這又忽略了其他開關對被測開關和NTC熱的影響。

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圖10描述了一個半橋模塊內部各開關之間的熱耦合。這里以上橋IGBT（TOP IGBT）為例，它除了自身發熱對NTC的溫度產生影響，對應結到NTC的熱阻為Rth(j-r)_self，其它發熱開關：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之間的溫差產生影響，對應的熱阻為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對上橋IGBT和NTC之間溫度的影響程度，其值甚至也可以是負值。

圖10：半橋模塊內部各開關之間的熱耦合

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因此，對一個半橋IGBT模塊，有4個開關器件（上、下橋IGBT和二極管），每個開關和NTC之間的溫度關系需要用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器件和NTC之間的溫度關系，如表1所示。對于動態結溫，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

2. ?動態損耗計算

同樣，要計算動態結溫，平均損耗計算方法也不再適用，需要在每個調制周期內實時計算IGBT的導通損耗和開關損耗，計算公式如下：

3. ?動態結溫計算

有了各個開關器件的動態損耗，在結合測量的動態熱阻抗曲線，就可以以載波頻率對應的步長實時計算IGBT的動態結溫，計算公式如下：