Определение зависимости сопротивления NTC-термистора от температуры кристаллов силовых модулей

5 ноября

управление питаниемуправление двигателемInfineonстатьядискретные полупроводникиIGBTMotor DriveСиловая электроника

Тепловое моделирование позволяет наиболее точно вычислить температуру кристаллов – основной параметр, определяющий срок службы устройства. Infineon Technologies предлагает простое решение, которое позволяет легко и точно оценить температуру кристалла.

При работе устройств силовой электроники большой интерес для пользователя представляет текущая температура кристаллов. Если нет возможности измерять температуру самих кристаллов – можно использовать дополнительные датчики, такие как NTC-термисторы, и измерять их температуру, которая зависит от температуры кристаллов, а уже исходя из полученных значений, оценивать температуру самих кристаллов. Однако определение зависимости между температурой кристалла и показаниями датчика – не такая уж и тривиальная задача. Рассмотрим простую и вместе с тем достаточно надежную методику, позволяющую экспериментально получить необходимые данные.

Разработка любого устройства силовой электроники обычно начинается со схемотехнического и теплового моделирования. Задача теплового моделирования состоит в том, чтобы как можно точнее определить температуру кристаллов, поскольку это основной параметр, определяющий срок службы устройства. С одной стороны, существует стандарт JEDEC [1], который предусматривает определение температуры полупроводниковых кристаллов путем проведения натурных измерений при эксплуатации. С другой стороны, организация этого процесса сопряжена с определенными трудностями, да и вряд ли получится выполнить такие измерения в работающем устройстве. Однако существует более простое решение, позволяющее оценить температуру кристалла. Это решение было получено в результате экспериментального исследования, установка для проведения которого показана на рисунке 1а. В состав установки входят:

  • силовой модуль;
  • источник питания;
  • аппаратура для сбора данных;
  • охлаждающая установка;
  • оборудование для измерения температуры.

Рис. 1. Экспериментальная установка (а) и изображение тестируемого модуля в ИК-диапазоне при подаче напряжение только на диоды (б)

Рис. 1. Экспериментальная установка (а) и изображение тестируемого модуля в ИК-диапазоне при подаче напряжение только на диоды (б)

Исследуемое устройство представляет собой силовой модуль 1000 А/1700 В, установленный на радиатор с возможностью принудительного воздушного охлаждения. Объемный расход формируемого воздушного потока контролируется, чтобы обеспечить режим охлаждения, соответствующий реальным условиям эксплуатации модуля. Температура кристаллов регистрируется ИК-камерой. Также измеряется температура корпуса под кристаллами, для этого используются термопары, прикрепленные к основанию силового модуля.

Сопротивление NTC-термистора, регистрируемое аппаратурой сбора данных, преобразуется в значение температуры, в соответствии с характеристической кривой термистора, приведенной в паспорте модуля [2]. Кроме того, измеренные значения сопротивления впоследствии используются для построения соответствующих зависимостей. Также температуру NTC-термистора можно определить с помощью ИК-камеры.

Для питания исследуемого устройства используется регулируемый источник постоянного тока, который обеспечивает нагрев полупроводниковых диодов за счет пропускания через них большого тока при малых значениях напряжения. Для наблюдения за состоянием исследуемого устройства используется ИК-камера, как показано на рисунке 1б.

Регулируя ток через диоды, можно нагревать кристаллы до различных температур, а также удерживать систему в стационарном состоянии для проведения измерений. Измеренные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Результаты измерений при использовании принудительного воздушного охлаждения

Расход воздуха, м3 Ток, А NTC, Ом Температура NTC
(ИК-камера), °C
Температура NTC (расчет), °C Tемпература диода, макс., °C
206,3 50 4045 30 29,3 33
206,3 100 3500 34,5 33,4 43
206,3 200 2455 43,6 41,8 66
206,3 300 1570 57,5 53,7 96
206,3 400 1020 66,5 65,8 130
206,3 460 790 80 73,5 153

Сопоставляя измеренные значения с помощью подходящего ПО, можно построить график зависимости между температурой диода и сопротивлением NTC-термистора. На рисунке 2 этот график приведен вместе с соответствующим интерполяционным полиномом.

Рис. 2. График зависимости между температурой кристалла и сопротивлением термистора, построенный по экспериментальным данным

Рис. 2. График зависимости между температурой кристалла и сопротивлением термистора, построенный по экспериментальным данным

На рисунке 2 хорошо видно, что зависимость имеет нелинейный характер, поэтому для точной интерполяции экспериментальных данных необходимо использовать полином третьей степени. Поскольку характеристическая кривая термистора обычно приводится в паспорте на модуль, не составляет никакого труда преобразовать измеренные значения сопротивления в температуру. Если полученные значения температуры коррелируют с измеренными значениями температуры кристалла, то итоговый график зависимости температуры диода от температуры термистора будет иметь линейный характер, что и показано на рисунке 3.

Рис. 3. График зависимости между температурой кристалла и температурой NTC-термистора, построенный по экспериментальным данным

Рис. 3. График зависимости между температурой кристалла и температурой NTC-термистора, построенный по экспериментальным данным

В значительной степени на эту зависимость влияет сама система охлаждения модуля. Если в системах с принудительным воздушным охлаждением тепло распределяется по всей поверхности модуля и может достаточно быстро достигать места установки NTC-термистора, то при использовании радиаторов с жидкостным охлаждением, имеющих сложную структуру, тепло, отводимое от полупроводниковых кристаллов, практически не рассеивается в толще материала радиатора, что напрямую влияет на скорость нагрева NTC-термистора.

В итоге увеличивается разрыв между температурой полупроводниковых кристаллов и термистора. Чтобы убедиться в этом, был проведен второй эксперимент с тем же силовым модулем в корпусе PrimePACKTM 3 [2], только на этот раз модуль установили на радиатор с жидкостным охлаждением, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Экспериментальная установка, в которой используется радиатор с жидкостным охлаждением (а) и изображение тестируемого модуля в ИК-диапазоне (б)

Рис. 4. Экспериментальная установка, в которой используется радиатор с жидкостным охлаждением (а) и изображение тестируемого модуля в ИК-диапазоне (б)

Чтобы оценить влияние различных условий охлаждения, в том числе скорости потока охлаждающей жидкости, были проведены две серии измерений. При этом ток через модуль задавался таким, чтобы тепловой режим кристаллов в обоих случаях (при разных скоростях потока) оставался примерно одинаковым. Полученные данные сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Результаты измерений при использовании радиаторов

Расход ОЖ, л/мин Ток, А Tемпература диода, макс., °C NTC, Ом Температура NTC (расчет), °C
5,6 300 67,5 3400 35,5
500 115 2080 50,0
610 145 1950 58,5
12,8 350 68 4330 28,8
570 115 1770 37,9
680 143 2250 42,2

Чтобы сравнить полученные результаты, мы изобразили все три зависимости на одном графике, показанном на рисунке 5.

Рис. 5. Зависимость температуры NTC-термистора от температуры кристаллов при различных условиях охлаждения

Рис. 5. Зависимость температуры NTC-термистора от температуры кристаллов при различных условиях охлаждения

Как видим, чем выше эффективность системы охлаждения, тем больше расхождение между температурой кристалла и температурой NTC-термистора, поэтому нельзя создать универсальную тепловую модель для «голого» силового модуля, которая учитывала бы все возможные условия его применения. Если же мы попробуем найти зависимость, исходя из значений теплового сопротивления, то столкнемся с еще большими трудностями [3].

Ограничения модели

Предложенная модель позволяет в первом приближении оценить взаимосвязь температур различных участков силового модуля. Однако описанная процедура имеет ряд особенностей, которые необходимо принимать во внимание при построении более точной модели. Особенно тщательно надо изучить характер изменения температуры, если требуется определить уровень срабатывания защиты от перегрузки по току.

Применимость методики

Все результаты, полученные в ходе проведенных экспериментов, справедливы только для статических режимов работы. Поскольку установка имеет определенную теплоемкость, после изменения параметров необходимо подождать некоторое время, пока не закончатся все динамические процессы. В случае принудительного воздушного охлаждения время такого ожидания составляет несколько минут. При использовании радиатора с жидкостным охлаждением статическое равновесие достигается за 30…60 секунд. Как следствие, сопротивление NTC-термистора очень медленно реагирует на изменение температуры, что не позволяет использовать его для наблюдения за переходными процессами. Обычно эти термисторы применяются для защиты от перегрева, который может возникнуть из-за различных проблем с системой охлаждения, таких как загрязнение радиаторов, отказ вентиляторов или поломка насосов. В таких ситуациях температура растет медленно, поэтому ее можно контролировать по сопротивлению термистора, если выбрать правильное пороговое значение. Для определения последнего рекомендуется проводить эксперимент в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации модуля в конкретном оборудовании.

Температура кристалла и Tvj,max

При создании тепловой модели необходимо установить взаимосвязь с максимальной температурой кристалла. Если посмотреть на модуль в ИК-диапазоне, можно увидеть, что температура на поверхности кристалла отличается от температуры перехода Tvj,max. В то же время при эксплуатационных измерениях, описанных в стандартах, за максимальную температуру кристалла Tvj,max принимается средняя температура по всей его поверхности. Это значение используется для прогнозирования срока службы силового модуля при циклическом режиме работы [4]. ИК-камера, используемая в эксперименте, определяет температуру локальных зон, каждая из которых соответствует одному пикселю изображения.

Тепловая модель, построенная на основе таких измерений, будет очень неточной. Значения, получаемые в ходе эксплуатационных измерений, представляют собой среднюю температуру всех кристаллов модуля, особенно в случае силовых модулей больших размеров. Чтобы построить модель, близкую к стандартной, требуется дополнительная обработка результатов инфракрасной съемки, заключающаяся в усреднении температур всех активных зон модуля. Как показано на рисунке 6, максимальную температуру (104°C), по данным ИК-камеры, имеют соединительные проводники кристаллов. Максимальная температура на поверхности кристалла оказывается немного ниже – около 100°C. А средняя температура, которая будет зарегистрирована при эксплуатационных измерениях, окажется равной всего 93°С.

Рис. 6. Детальное изображение одного кристалла в ИК-диапазоне и температура разных его областей

Рис. 6. Детальное изображение одного кристалла в ИК-диапазоне и температура разных его областей

Работа при постоянном и переменном токах

При проведении эксперимента мы для удобства использовали источник постоянного тока. Это позволило исключить взаимный нагрев близко расположенных кристаллов IGBT и диодов. Однако в действительности потери возникают в обоих компонентах, поэтому питание тестируемого модуля переменным током позволит создать для него условия, более соответствующие реальным условиям эксплуатации. Для это можно использовать источник переменного тока достаточной мощности [5]. В качестве альтернативного варианта тестируемый модуль можно включить в качестве нагрузки в мостовую схему. В этом случае также можно будет оценить влияние коэффициента мощности приложения cos(φ) на работу модуля.

Выводы

Для «голого» силового модуля нет универсальной модели, которая бы описывала зависимость между сопротивлением NTC-термистора и температурой кристаллов. Чтобы точно определить эту зависимость, никак не обойтись без проведения натурных измерений. Чтобы получить надежные и достоверные соотношения между температурой кристаллов и сопротивлением NTC-термистора, необходимо учитывать даже такие детали, которые обычно считаются малозначимыми. Съемка модуля в ИК-диапазоне позволяет получить наиболее полную информацию о распределении температуры по его поверхности, а также выявить зоны с максимальной температурой. Она же позволяет в полной мере учесть влияние всех конструктивных особенностей устройства на температуру модуля.

Правильная интерпретация результатов измерений в ИК-диапазоне дает возможность создать соответствующую тепловую модель, описывающую зависимость сопротивления NTC-термистора от температуры кристаллов модуля в статическом и квазистатическом режимах работы.

Литература

  1. Electronic Industries Association. EIA/JESD51-1, Integrated Circuits Thermal Measurement Method — Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)
  2. Infineon Technologies. Data sheet FF1OOOR7IP4
  3. Nils Kerstin, Martin Schulz. The Challenge of Accurately measuring Thermal Resistances PCIM 2O14 Nuremberg, Germany in May 2O14.
  4. Infineon Technologies. Application Note AN2O1O-O2, Use of Power Cycling Curves for IGBT4
  5. Zheng Ziqing et. al. Analysis of temperature correlation on IGBT modules. PCIM 2O15 Shanghai, China, June 2O15.

Оригинал статьи

Перевел Андрей Евстифеев по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
FF600R12ME4AB11BOSA1 (INFIN)
FF600R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF450R12ME4B11BPSA1 (INFIN)
FF450R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF300R12ME4B11BPSA1 (INFIN)
FF300R17ME4B11BOSA1 (INFIN)
FF900R12ME7PB11BPSA1 (INFIN)
FP50R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)
FP35R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)
FP25R12W2T7B11BPSA1 (INFIN)
FP15R12W1T7B11BOMA1 (INFIN)
FS50R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)
FS75R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)
FS100R12W2T7B11BOMA1 (INFIN)