IGBT模块NTC温度与模块壳温、结温关系探究.pdf

6doi:10.3969/j.issn.1009-3230.2023.08.002应用能源技术2023年第8 期（总第3 0 8 期）IGBT模块NTC温度与模块壳温、结温关系探究竹永辉，陈周帅，王荣，蔡巧娟（芯派电子科技股份有限公司，陕西西安7 2 0 0 7 5）摘要：ICBT模块封装时内部会集成负温度系数的温敏电阻（NTC）用以监控模块内部温度,工程应用中也多用这个电阻测定温度值来制定IGBT模块高温保护策略。但由于安装位置,NTC所处的热网络热时间常数较大等原因NTC温度与模块真实结温间还是有一些差距。本文通过搭建测试平台在某款车用电机控制器中测定了NTC温度在不同功率，不同冷却液温度、流量等不同工况下与模块结温关系，建立了该款控制器NTC温度与模块结温的关系模型，并通过仿真与实测结果对比分析验证了该模型的准确性。实验结果对其他使用NTC评估模块结温的场合也具有一定指导意义。关键词：IGBT模块；NTC；结温；壳温；电机控制器中图分类号：TN322Investigation of the Relationship between NTC Temperatureand Module Casing Temperature and JunctionTemperature in IGBT ModulesZHU Yonghui,CHEN Zhoushuai,WANG Rong,CAI Qiaojuan(Xinpai Electronic Technology Co.Ltd.,Xian 720075,China)Abstract:In the packaging of Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)modules,the NegativeTemperature Coefficient(NTC)thermistor is internally integrated to monitor the internal temperatureof the module.In engineering applications,this thermistor is commonly used to measure temperaturevalues for formulating high-temperature protection strategies for IGBT modules.However,due toinstallation location and factors such as the relatively large thermal time constant of the thermalnetwork where the NTC is placed,there may be some discrepancies between the NTC temperature andthe actual junction temperature of the module.This paper establishes a test platform to measure therelationship between NTC temperature and module junction temperature under different conditions,including various power levels,coolant temperatures,and flow rates,in a specific automotive motorcontroller.A relationship model between the NTC temperature and module junction temperature forthis controller is developed.The accuracy of this model is verified through comparative analysis ofsimulation and experimental results.The experimental findings also provide certain guidingsignificance for other scenarios where NTC is used to assess module junction temperature.Key words:IGBT module;NTC;junction temperature;casing temperature;motor controller0引言众所周知ICBT结温会影响其电学参数、损收稿日期：2 0 2 3-0 6-1 8修订日期：2 0 2 3-0 7-0 5作者简介：竹永辉（1 9 9 0），男，本科，工程师，从事功率器件封装测试工作。文献标志码：A文章编号：1 0 0 9-3 2 3 0(2 0 2 3)0 8-0 0 0 6-0 5耗、可靠性等指标，结温过高时甚至会引发模块因过热失效。但由于IGBT芯片焊接在模块封装体内部，常规温度测量手段很难测得模块结温。针对这一问题,国内外学术界提出了多种结温估计2023年第8 期（总第3 0 8 期）方法，如：物理接触式测量法，光学非接触式测量法，热敏感电参数估计法，热阻抗模型估计法等方式。工程应用领域多采用NTC温度来估算模块结温，但由于NTC和芯片之间的热阻未知，造成NTC温度和芯片温度的偏差很难评估。基于以上情况，为了获得NTC温度与模块壳温和结温的实际关系,本文通过实验方法探究了NTC温度与模块结温在不同工况下的温度差；建立了NTC温度预估模块结温的数学模型，并通过仿真与实际测试验证了模型的准确性。1实验系统搭建及测试样品信息本次实验搭建的测试系统由如下几部分组成：（1)功率循环实验台，用以提供输入功率并检4NTC-ThermistorParameterRated resistanceDeviationof R100Power dissipationB-valueB-valueB-value应用能源技术测结温；（2）IGBT模块及驱动系统包含IGBT栅极驱动及NTC电阻测试电路；（3）示波器用以实时检测NTC电阻；（4）热电偶及温度采集器用于监控模块壳温；（5）液冷系统包含冷水机、水管及安装模块的散热器用以调控实验过程中冷却液流量及温度参数。本次使用的模块为目前市场上主流的三相全桥车规级模块，NTC位置靠近V相上管。2本次实验测温原理2.1 NTC 温度检测NTC特性表现为负温度系数,即温度越高NTC电阻值越小 ,查阅模块提供数据手册可以得到NTC阻值与温度关系如图1 示。max.ConditionsSymbolTc=25R25Tc=100C,R100=4932AR/RTc=25P25R2=R2s exp B25/50(1/T2-1(298,15 K)B25/50R2=R25 exp B25/80(1/T2-1(298,15 K)B2580R2=R25 exp B2510(1/T2-1/(298,15 K)B25:1007min.typ.nValue5.0055%20.0mw3375K3411K3433Unitko2K图1 被测试模块NTC与温度转换模型由图1 可得到NTC阻值与温度关系如公式(1):(1)式中,R2s为NTC常温下的阻值，从图1 可知其数据为5kQ;B25/100数值为3 4 3 3 k；T,为当前温度,K。NTC电阻检测电路如图2 所示，实验过程中用示波器实时检测R2两端电压V,则RnTc与电压V的关系可以由公式(2)表示：RNTC=15-5式中，V为示波器测得R2两端电压值,RnTc，k Q 2。结合公式(（1）、（2)可以得到V与T,关系由公式(3)表示，也即通过检测R2两端电压V可最终转化为TiNrCoT2=-1298.13 433式中,T2,k。NTC+5V图2 NTC电阻值测试原理图(2)2.2ICBT模块结温温度检测方法半导体器件中,PN结的电流电压特性方程为2 ;I=e则有：1(3)R12KdVKndT(4)I1constK(5)8式中,I为通过PN结的电流;l为反向饱和电流;q为电子电荷量(1.6 1 0-1 9);V,为PN结两端电压；k为玻尔兹曼常数（1.3 8 1 0-2 3 J/K)；T 为热力学温度;K为温度与热敏参数的关系值,即K系数。在小电流情况下,结温和电压呈线性关系,且在很大温度范围内是精确成立的,因此可以用P-N结固定电流下的正向电压值来指示芯片结温。这种线性关系的获取过程即称为K系数校准。IGBT模块中集电极和发射极之间的电压Ve（Vg=1 5V)与其结温T,之间也同样符合上述线性关系3 。本次实验选取小电流（1 0 0 mA)下的V值作为衡量结温的电参数4 。采用该方法时首先要对T与Vc关系进行校准测试,测试过程如下：将模块放置于恒温环境中,设定环境温度检测模块在该温度下的Vc，等待足够长的时间当检测到的Vc不再变化时即认为此时模块温度T,与环境温度相同,如此得到一组T,与Vc数据；改变环境温度,重复上述测试可得到多组T与Vc数据，由该组数据拟合出 T,与 V.线性关系并得到 K系数值如图3 所示。表1水流量/水温/L/min430812460812从以上数据可看出，NTC温度处于模块结温和壳体温度之间,即有 TcTnTcTi;分别求得模块结温与NTC温度差、NTC温度与模块壳体温度差，两个温度差值与各种不同散热工况关系如图应用能源技术0.5410.520.500.480.460.440.420.400.380.36203040T/图3 h系数校准结果3不同散热工况下NTC温度与模块结温、壳温关系用以上测试系统，测试不同散热工况下的NTC温度（Trc），模块结温（T,），模块壳温（T）。壳温采集点为模块正中心，结温取离NTC最近的IGBT芯片温度（V相上管）。实验过程中控制变量有三组,分别为：水温,水流量,输人功率。因为实验过程中模块没有带任何负载，输人功率也就等于模块耗散功率，实验中输人功率为脉冲模式。实验时先设定冷却水温度，然后设定系统输入功率，在特定水流量的条件下待整个系统热平衡时测得一组数据，如此测得多组工况下数据见表1。不同工况下IGBT模块结温、壳温及NTC温度值不同耗散功率下模块温度200W600WTNTCT。37.035.236.034.436.034.067.064.466.063.965.064.02023年第8 期（总第3 0 8 期）K系数测试数据及拟合结果b不加权0.56824 3026.34E-4-0.0024 5.61007E-6旋#平方和437497E-7-0.99平方CCD）0.9997换整后平方0.999506070800WTTTC41.748.038.845.039.344.068.176.068.174.067.973.04所示：图中蓝色线表示NTC与模块壳体温度差，红色线表示模块结温与NTC温度差。分析可知NTC与模块壳体温度差在实验设定水流量范围内受水流量影响因素较小;与水温呈负的相关性，80TT42.163.240.960.938.159.772.590.669.788.069.086.8TNTC53.550.048.082.578.077.0T。46.543.642.377.273.271.8T80.577.475.7105.7102.5101.02023年第8 期（总第3 0 8 期）表现为水温越低温差越大；与模块耗散功率正相关即耗散功率越大温差越大。NTC与模块壳体温差主要受水温及耗散功率影响，且在实验设定的散热条件下温差均分布在1 0 以内。而模块结温与NTC温度差符合相同的规律，即受水流量30.025.020.015.010.05.00可见NTC与模块结温温差受耗散功率影响较大,在低功率时可近似认为其等于模块结温，但在耗散功率较大时两者温差会变的很大，此时再用NTC温度近似替代模块壳温就不合适了。而NTC温度与模块壳体温度在整个实验过程中一直比较接近,最高温差也在1 0 以内。实际应用中用NTC温度代替壳温会更加合适。4NTC与 IGBT芯片温变速度在该实验平台上，设定水温6 0，水流量12L/min,在8 0 0 W脉冲功率模式下先让系统达到热平衡,即检测到的IGBT模块最高结温，NTC最高温度均不再发生变化时认为系统达到热平衡，然后取消系统输入功率，实时监控模块结温及NTC温度变化曲线。两个降温曲线如图5所示，分别量取两个曲线的下降时间（取曲线纵轴的90%1 0%），测得IGBT芯片降温曲线下降时间6.7s,NTC降温曲线下降时间1 0.6 s。可见ICBT芯片温度变化速度要远远快于NTC的温度变化速度,特别是从撤去功率开始降温的1 s内,IGBT的温度急速下降,而NTC受限其热网络的时间常应用能源技术影响较小,水温降低时温差会增大但影响有限,模块耗散功率越大温差越大且该因素影响较为明显,最高时有将近3 0 的温差,可以预测随着模块耗散功率的增大该温差值还会继续增大。60水温时NTC与模块结壳温度差-1200W:TNTC-TC+200W:Tj-TNTCX-600W:TNTC-TC600W:Tj-TNTC米8 0 0 W:TNTC-TC-+800W:Tj-TNTC十48水流量/Lmin-!图4 6 0 水温下温度差数整个降温区间相对而言都比较平缓。这就导致了在用NTC温度去衡量模块结温时会丢失部分信息，特别是当ICBT模块出现瞬时过功率时,如时间在微秒级的短路,对于这种情况NTC 很难做出反应。105100959085./807570656055-3图5IGBT芯片及NTC降温曲线5以NTC温度估算结温模型及验证目前各大IGBT器件厂商在制模块产品数据912NTC降温曲线ICBT芯片降温曲线1591317212528时间/s10手册时都会提供模块的结壳热阻（Rihjc），同时也会提供模块的Foster热网络模型。器件应用领域也多基于该热网络模型估算脉冲功率模式下模块的瞬态结温，进而进行相应的热保护设计。精确使用该热网络模型时需测试器件壳温，也即器件底板温度，实验时虽然可以通过粘贴热电偶的方式测试壳温，但在实际设计产品时出于系统长期可靠性考虑基本不这么做，都是利用器件内部封装的NTC在驱动控制板上设计相应电路来采集温度。基于上文NTC与模块壳温比较接近的结论,用NTC温度代替模块壳温然后使用Foster热网络模型计算壳温方式有一定的准确性。但NTC温度毕竟不等于壳温，特别是当输人功率较大时,在使用Foster热网络模型时采用NTC温度作为输入会带有天然的误差。参考本次测试结果我们基于NTC温度减去一个与散热工况及耗散功率相对应的特定值来修正壳温，再结合模块数据手册提供的Foster热网络模型重新建立了该款模块的结温估算模型，用该模型仿真了模块在不同耗散功率，不同工作频率下的最高结温，然后用本次搭建的测试平台在相同的设定下测试模块的最高结温,测试结果见表2。表2修正结温计算模型仿真值及实测值Timax/输人功率0.1 Hz1 Hz10 Hz仿真值64.06200W测试值62.13仿真值79.68500W测试值82.32仿真值91.02800W测试值97.59从表中数据可见，仿真温度与实际测试温度应用能源技术间差值基本在3 以内,从而验证了该模型的准确性。6结束语本文基于一款特定的模块设计测试平台,研究了IGBT模块NTC温度与结温及壳温在特定散热工况下的对应关系。得出了NTC温度更接近于模块壳体温度的结论,更进一步的研究了NTC温度与模块壳体温度在不同工况的下温度差，发现该温度差受模块耗散功率及冷却水温影响较大。后利用测试结果修正 NTC 温度作为器件壳温，结合模块数据手册提供Foster热网络模型重新建立了IGBT结温计算模型，通过实际测试验证了该模型的准确性。同时也应认识到由于IGBT模块封装时NTC安装位置及封装材料的关系，该壳温修正方法仅适用于该款模块；但其他类型模块可参考本文介绍方法重新标定NTC温度与模块壳温之间关系,进而得到更准确的结温计算模型。参考文献1 王鹏，王松楠.IGBT模块中温度传感器（NTC）的使用方法J.科技咨询导报,2 0 0 7(5:1 1.2李，周望君,奉琴,等.IGBT模块热特性测量与内部结构热特性分析J.大功率变流技术,2 0 1 6(2):26 29,67.50Hz3 1Khatir Z,Dupont L,Ibrahim A.Investigations on64.2665.1764.1664.8580.1877.6978.9176.1190.2286.5891.6786.622023年第8 期（总第3 0 8 期）66.25junction temperature estimation based on junction volt-64.87age measurements J.Microelectronics Reliability,74.612010,50(9).73.024姚芳，王少杰，李志刚.基于IGBT模块饱和压降82.30温度特性的结温探测研究J.电子器件,2 0 1 7,4 080.63(2);291-95.