怎样检测/计算igbt模块的结温?

2021-05-31

IGBT模块中一般均会在陶瓷基板(DBC)上设立热敏电阻(NTC或PTC,因为NTC比较常用,下面简称NTC)用作温度检测,如图1所示。在实际使用中,工程师最直接也是最普遍的1个难题便是:我检测到NTC的温度,那麼igbt模块实际的结温是多少?或是:igbt模块芯片和NTC间的温度差是多少?
图1:SEMiX3pigbt模块模块中的NTC

很明显,igbt模块结温才算是变频器/变流器/逆变器(下面简称逆变器)设计中大家关心的难题。原因很简单,igbt模块有操作结温需求(比如igbt模块4的Tjop不超过150°C),长期高于这一温度igbt模块会过热失灵。另外,即便结温不超过需求,一些应用中也要考虑到大的结温波动造成 的寿命难题。倘若igbt模块型号选择或热设计中留的余量太大,又会造成igbt模块元器件或散热成本上升。所以在设计时就务必要弄清igbt模块在各种也许的运作工作状况下(额定、过载、堵转、整流、逆变……)的结温,以实现经济可靠的设计。

igbt模块结温检测目的之过温保护

过温保护是逆变器常见的也是重要的防护之一。为了能规避igbt模块过热毁坏,设计时一般会在软件中设置NTC或散热器上接近IGBT模块的热电偶的温度保护点。那麼这一防护点温度该设多少?90°C?100°C?或是能够更高?依据是什么?这就要了解igbt模块实际的结温,进而找出合理的NTC温度保护点。

要强调的是,igbt模块在不同工作状况下,同样位置芯片的结温也许会出现很大的转变,这会造成NTC的温度也会出现很大转变。所以,选用1个温度保护点很有可能防护不了全部工作状况,要在设计时充分评估。下面以1个T型三电平的例子简要说明这个问题。
(a)逆变工作状况(PF=0.95)
(b)整流工作状况(PF=-0.95)

图2:SEMiX5T型三电平igbt模块温度分布

图2能够知道,当逆变器运行在逆变工作状况时,T1管的耗损最大(287W)、温度最高(126°C),因为NTC的位置靠T1管很近,其温度达到102°C。当逆变器运行在整流工作状况时,T2管的耗损最大(187W)、温度最高(146°C),因为NTC的位置离T2管较远,其温度为只有95°C。倘若NTC的温度达到100°C(假定依然在温度保护点区间内),T2管的温度早已高于150°C,便会造成过热失灵,但温度保护并没有动作。

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