IGBT和MOSFET功率模組NTC溫度控制

作者 : Alain Stas & Bruno Van Beneden,Vishay NLR產品行銷部

本文以打線式NTC die為重點,採用類比電路模擬的方法,說明功率模組降載和關斷基本原理。為什麼採用模擬方法?類比是簡化並以可視方式說明不同現象的理想方法,也適用於開發直覺應用...

溫度控制是MOSFET或IGBT功率模組有效工作的關鍵因素之一。儘管某些MOSFET配有內部溫度感測器(內接二極體),但其他方法也可以用來監控溫度。半導體矽PTC熱敏電阻可以很好地進行電流控制,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。無論感測器採用表面貼裝元件、引線鍵合裸片還是燒結裸片,NTC熱敏電阻仍是靈敏度優異、用途廣泛的溫度感測器。只要設計得當,可確保模組正確降載,並最終在過熱或外部溫度過高的情況下關斷模組。

本文以打線式NTC die為重點,採用類比電路模擬的方法,說明功率模組降載和關斷基本原理。為什麼採用模擬方法?類比是簡化並以可視方式說明不同現象的理想方法,也適用於開發直覺應用。最後一個動機是經濟因素:我們僅用免費軟體(LTspice)開發模擬,而其他設計工具則用於更加複雜的設計。

現在,我們來看1所示的LTspice設計,這是一個簡單的升壓轉換器設計。不過,由於LTspice的多功能性,IGBT和二極體模型被熱模型取代,熱通量用輸出接腳明確表示,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,設計人員需要仔細將Zth模型定義為Cauer或Foster模型)。

1:採用LTspice的升壓轉換器設計。

轉換器工作期間,熱通量形成熱點(本例中,節點Tsyst產生電壓,需要控制溫度)。這個溫度輸入NTC模型(Vishay打線式die NTCC200E4203_T)。NTC訊號通過惠斯登電橋與界限值對比、放大,與鋸齒形訊號(Vsaw)進行比較。最終輸出Vsw是加在IGBT閘極的脈衝訊號。Rlim阻值定義溫度界限值以下,我們在IGBT閘極加100%週期脈衝波。過熱時——IGBT和二極體產生熱量——加上環境溫度(熱電路節點Tamb電壓),週期波減小,降壓轉換器輸出/輸入比(Vout/Vcc)下降。於是,熱量減小,溫度開始恢復穩定。高於一定溫度極限時,這個比值必須減小到1。

為了在合理時間內完成模擬,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看到效果。

以下是模擬結果:每個圖中顯示的結果包含或不含溫度降載(為了取消溫度控制,Rlim取值非常低)。


2:升壓轉換器在最初20ms內出現振盪,顯示未最佳化。

3:電壓VsenseVntcVlim的變化。

 

4:在沒有溫度保護時,Tsyst可達到160170℃。

2所示,升壓轉換器在最初20ms內通常出現振盪,未最佳化的表現。溫度Tsyst (4)開始升高,然後環境溫度升高,當Tsyst達到90℃時,Vout/Vcc開始降載。環境溫度每升高一點,週期波下降一點,直到升壓轉換器完全失效。110℃時,降載達到最大值。

沒有溫度保護,Tsyst可達到160℃至170℃ (4)。在實際功率模組中,裸片峰值溫度可達到200℃或更高。

電壓VsenseVntcVlim3所示。56顯示不同時間週期波變化。

當然,所有界限值都是可調的,並且可以相應調整開關界限值。

5:不同時間週期波變化。

6:不同時間週期波變化。

進行更複雜的模擬時,我們還可以重建全橋IGBT模組(如7所示)。這個電路電感負載產生50Hz正弦電流,IGBT開關頻率為30kHz。閘極驅動器模擬電路125℃以下保持恒定頻率,並降低週期波,以減輕IGBT高於這一溫度的損耗。

7:全橋IGBT模組。

8中,我們可以看到IGBT開關產生的總熱功率(以W表示I(V6)),以及隨時間升高的溫度(以攝氏度表示V(Tsyst))。8下圖顯示產生成的電流。

無需贅述,調整調變參數即可降低溫度隨時間升高(8下圖,紅色曲線):縮短開關佔空時間可以減少熱量的產生,但也會造成正弦訊號損失。

8IGBT開關產生的總熱功率及其隨時間升高的溫度。

我們不再詳細介紹這種情況,但我們希望透過提供的示例說明,使用NTC熱敏電阻進行LTspice電路模擬具有深遠意義,可協助MOSFET/IGBT模組設計工程師開發直觀的電路,並協助他們透過減小熱量提供電路保護。

本文所示模擬備索edesign.ntc@vishay.com,可登錄以下網址下載:

https://www.hackster.io/alainstas/spice-simulation-of-temperature-derating-of-boost-converter-5acef8

https://www.hackster.io/alainstas/ltspice-inverter-simulation-with-thermal-effects-dadf6a

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年11月號雜誌

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