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          IGBT和MOSFET功率模塊NTC溫度控制

          作者:Vishay NLR產(chǎn)品營銷部Alain Stas和Bruno Van Beneden 時間:2021-05-25 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          溫度控制是功率模塊有效工作的關(guān)鍵因素之一。盡管某些配有內(nèi)部溫度傳感器 (體二極管),但其他方法也可以用來監(jiān)控溫度。半導體硅PTC熱敏電阻可以很好進行電流控制,或鉑基或鈮基(RTD)電阻溫度檢測器可以用較低阻值,達到更高的檢測線性度。無論傳感器采用表面貼裝器件、引線鍵合裸片還是燒結(jié)裸片,NTC熱敏電阻仍是靈敏度優(yōu)異,用途廣泛的溫度傳感器。只要設(shè)計得當,可確保模塊正確降額,并最終在過熱或外部溫度過高的情況下關(guān)斷模塊。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202105/425865.htm

          本文以鍵合NTC裸片為重點,采用模擬電路仿真的方法說明功率模塊降額和關(guān)斷基本原理。 為什么模擬? 模擬是簡化并以可視方式說明不同現(xiàn)象的理想方法,也適用于開發(fā)直觀應用。最后一個動機是經(jīng)濟因素:我們僅用免費軟件 (LTspice) 開發(fā)仿真,而其他設(shè)計工具用于更加復雜的設(shè)計。

          現(xiàn)在,我們來看圖1所示LTspice設(shè)計,這是一個簡單的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計。不過,由于LTspice的多功能性,和二極管模型被熱模型取代,熱通量用輸出腳明確表示,可將其連接到熱電路 (如散熱器)。我們使用簡單的RC電路 (實際情況下,設(shè)計人員需要仔細將Zth模型定義為Cauer或Foster模型)。

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          圖1

          轉(zhuǎn)換器工作期間,熱通量形成熱點 (本例中,節(jié)點Tsyst產(chǎn)生電壓,需要控制溫度)。這個溫度輸入NTC模型 (Vishay引線鍵合裸片NTCC200E4203_T)。NTC信號通過惠斯通電橋與閾值對比、放大,與鋸齒形信號 (Vsaw) 進行比較。最終輸出Vsw是加在柵極的脈沖信號。Rlim阻值定義溫度閾值以下,我們在IGBT柵極加100 %滿占空比脈沖。過熱時—IGBT和二極管產(chǎn)生熱量—加上環(huán)境溫度 (熱電路節(jié)點Tamb電壓),占空比減小,降壓轉(zhuǎn)換器輸出/輸入比 (Vout / Vcc) 下降。于是,熱量減小,溫度開始恢復穩(wěn)定。高于一定溫度極限時,這個比值必須減小到1。

          為在合理時間內(nèi)完成仿真,必須降低散熱器熱量。熱量增加可能需要幾分鐘甚至幾小時,我們希望很短時間內(nèi)看到效果。

          以下是仿真結(jié)果:每個圖中顯示的結(jié)果含或不含溫度降額 (為取消溫度控制,Rlim取值非常低)。                                     

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          圖2

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          圖3

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          圖4

          如圖2所示,升壓轉(zhuǎn)換器在最初20 ms內(nèi)通常出現(xiàn)振蕩,未優(yōu)化的表現(xiàn)。溫度Tsyst (圖4) 開始升高,然后環(huán)境溫度升高,當Tsyst達到90 °C時, Vout / Vcc開始降額。環(huán)境溫度每升高一點,占空比下降一點,直到升壓轉(zhuǎn)換器完全失效。110 °C時,降額達到最大值。

          沒有溫度保護,Tsyst可達到160 °C至170 °C (圖4)。在實際功率模塊中,裸片峰值溫度可達到200 °C或更高。

          電壓Vsense、Vntc和Vlim如圖3所示。圖5和6顯示不同時間占空比變化。

          當然,所有閾值都是可調(diào)的,并且可以相應調(diào)整開關(guān)閾值。

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          圖5

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          圖6

          進行更復雜的仿真時,我們還可以重建全橋IGBT模塊 (如圖7所示)。這個電路電感負載產(chǎn)生50 Hz正弦電流,IGBT開關(guān)頻率為30 kHz。柵極驅(qū)動器仿真電路125 °C以下保持恒定頻率,并降低占空比,以減輕IGBT高于這一溫度的損耗。

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          圖7

          圖8中,我們可以看到IGBT開關(guān)產(chǎn)生的總熱功率 (以W表示 I(V6)),以及隨時間升高的溫度 (以攝氏度表示V(Tsyst))。

          圖8下圖顯示生成的電流。

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          圖8

          無需贅述,調(diào)整調(diào)制參數(shù)可降低溫度隨時間升高 (圖8下圖,紅色曲線):縮短開關(guān)占空時間可以減少熱量的產(chǎn)生,但也會造成正弦信號損失。

          我們不再詳細介紹這種情況,但我們希望通過提供的示例說明,使用NTC熱敏電阻進行LTspice電路仿真具有深遠意義,可幫助 / IGBT模塊設(shè)計工程師開發(fā)直觀的電路,并幫助他們通過減小熱量提供電路保護。



          關(guān)鍵詞: IGBT MOSFET

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