智能功率模塊IPM的結溫評估
發布時間:2021-08-11 來源:英飛淩,王剛、田斌 責任編輯:lina
【導讀】本文詳細敘述了實際使用時對IPMmokuaidegezhongjiewendejisuanheceshifangfa,congzhijiehongwaiceshifa,neimaireminceshi,kewendeceshifangfa,doujinxingxiangxishuoming,yizhidaojishurenyuantongguoceliangmokuaizidaideTntc的溫度估算或測試IPM變頻模塊的結溫,然後利用開發樣機測試結果對實際產品進行結溫估算標定,評估IPM模塊運行的可靠性。
引言
IPM模塊是電機驅動變頻器的最重要的功率器件, 近些年隨著IPM模塊的小型化使模塊Rth(j-c)變大,從而對溫升帶來了越來越多的挑戰;suiranxinpianjishudejinbuhuijiangdiqijiansunhao,nengyidingchengduhuanjiexiaoxinghuadewenshengwenti,danbuduanchengshudekongzhijishuhechengbenkongzhiyexuyaogengyouxiaodeliyongjiewenpinggujieguojinxinglinghuobaohu。zaishijiyingyongzhong,gongchengshizuizhijieyeshizuichangjiandeyigewentijiushi:我檢測到了IPM的NTC的溫度,那麼裏麵IGBT&MOSFET真實的結溫是多少?本文詳細敘述了實際使用時對IPMmokuaidegezhongjiewendejisuanheceshifangfa,congzhijiehongwaiceshifa,neimaireminceshi,kewendeceshifangfa,doujinxingxiangxishuoming,yizhidaojishurenyuantongguoceliangmokuaizidaideTntc的溫度估算或測試IPM變頻模塊的結溫,然後利用開發樣機測試結果對實際產品進行結溫估算標定,評估IPM模塊運行的可靠性。
實際產品中IPM結溫評估的重要性和評估條件

很顯然在實際產品中,我們能檢測的溫度信息有Tntc,Ta,以及其他信息有係統功率(或相電流,母線電壓),散熱風速(影響熱阻)等,而在開發樣機階段除了Tntc,Ta,還能通過一定手段檢測Tc,IPM的耗散功率等,從而能根據實際功率,熱阻參數,Tc來估算Tj。
實際產品與開發樣機需要保證負載功率,IPMcanshu,xitongrezumoxingdouyizhi,cainengtongguokaifaceshiyangjidedingbiaoceshijieguolaishedingshijichanpinbutonggongkuangdebaohuxianzhi,suoyishijichanpinxuyaoliyongdedingbiaocanshubaokuo:實際的負載信息,Ta,Tntc,散熱風速等。
IPM的熱阻模型
在準備評估結溫前,我們先複習一遍IPM的熱阻模型,如下圖以英飛淩自帶NTC的Mini係列IPM模塊散熱器安裝結構為例:


圖1.IPM的熱阻模型
如圖2,P1是IGBT晶圓到模塊底部和散熱器的散熱路徑,P2是IGBT晶圓到模塊上部的散熱路徑,由於Rthch+Rthha<<Rthc2a,所以P1為主要的功率耗散通道。同時我們要注意散熱風量會影響Rthha跟Rthc2a。

圖2.IPM的簡化熱阻模型
IPM的結溫計算
IPM的損耗是由IGBT的導通損耗和開關損耗組成,驅動芯片的損耗可以忽略不計,計算原理和分立IGBT的損耗計算是一樣的,英飛淩在相關文檔都有很詳細的論述。
這裏隻簡要提及計算過程,先利用規格書上圖3的I-V曲線找到不同電流條件下的Vcesat和Vf,通過跟實時電流的積分計算IGBT跟diode的導通損耗。然後利用雙脈衝測試平台測試不同電流條件下的Eon,Eoff,Erec損耗, zaitongguojifenjisuandedaokaiguansunhao。dangran,yinweiguigeshucanshubenshenhuicunzaifanweiwucha,weilededaogengzhunquedishuzhi,shijicaozuoshikenengxuyaogengzhunquedeshiceshujudedaoPtotal。
得到Ptotal後,我們可以通過以下公式來計算單顆晶圓上的結溫Tj:
Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c
Tj:IGBT的結溫
Tc:模塊晶圓正下方的表麵溫度
Ptotal:IGBT開關和導通損耗
Rthj-c:IGBT芯片和到封裝表麵之間的熱阻


圖3.IGBT和二極管的I-V曲線
對於英飛淩IPM產品來說,我們有一個更簡便的方法,如圖4可以利用仿真工具輸入實際使用的係統條件就可以直接算出對應IPM在指定條件下的損耗和結溫。

圖4.英飛淩IPM仿真工具
結溫的檢測方法
通常我們能想到兩種最直接的辦法,一種紅外測溫儀直接檢測,一種是預埋熱電藕測試。
如圖5第(di)一(yi)種(zhong)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)模(mo)塊(kuai)在(zai)最(zui)熱(re)的(de)晶(jing)圓(yuan)處(chu)開(kai)口(kou),露(lu)出(chu)晶(jing)圓(yuan)並(bing)將(jiang)其(qi)塗(tu)黑(hei),用(yong)紅(hong)外(wai)測(ce)溫(wen)儀(yi)測(ce)量(liang)晶(jing)圓(yuan)溫(wen)度(du)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)通(tong)常(chang)在(zai)工(gong)程(cheng)研(yan)究(jiu)上(shang)做(zuo)參(can)考(kao)評(ping)估(gu)用(yong),實(shi)際(ji)產(chan)品(pin)測(ce)試(shi)時(shi)因(yin)空(kong)間(jian)結(jie)構(gou)所(suo)限(xian)往(wang)往(wang)並(bing)不(bu)可(ke)取(qu)。

圖5.紅外測溫儀測試結溫
第二種方法需要IPM廠(chang)家(jia)提(ti)供(gong)預(yu)埋(mai)熱(re)電(dian)偶(ou)的(de)樣(yang)品(pin),在(zai)最(zui)熱(re)晶(jing)圓(yuan)處(chu)開(kai)孔(kong)至(zhi)晶(jing)圓(yuan)外(wai)露(lu),預(yu)埋(mai)熱(re)電(dian)藕(ou)於(yu)晶(jing)圓(yuan)上(shang)方(fang)足(zu)夠(gou)近(jin)但(dan)又(you)不(bu)接(jie)觸(chu)到(dao)晶(jing)圓(yuan)的(de)地(di)方(fang),樣(yang)機(ji)測(ce)試(shi)時(shi)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)儀(yi)讀(du)取(qu)芯(xin)片(pian)溫(wen)度(du)。
預埋熱電偶的測量方法建議通過測量IPM的直流非開關工作狀態來模擬等損耗條件的實際工作狀況;直接進行動態負載測試建議采用手持式測溫儀減小幹擾,並對測量引線及設備的布放進行優化,實際操作時難度還是非常大的。
利用結殼熱阻法測量模塊結溫是比較常見並且有效的一種方法:先測試殼溫Tc,通過結殼熱阻Rthj-c,然後利用我們上述計算出來的Ptotal功耗來計算得到結溫(Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c)。
Tc殼溫指的是最高結溫晶圓正對散熱器的殼的溫度,要測得此點溫度需要在散熱器鑽孔或者開槽布防熱電藕,如圖6的兩種開槽方式:

圖6.Tc測試熱電偶安裝的開槽方式
結溫標定
在實際的項目開發時,我們隻需要在開發前期測試各種不同極限條件下的Tc和Tntc溫度,擬合出Ta 、Vs、Tntc、Vs、Tj的對應曲線關係。
實現利用開發樣機測試結果對實際產品進行結溫估算標定,必須滿足下麵的條件:
二者的負載功率以及控製方法完全相同。
二者的係統熱阻參數必須相同,包括散熱器,散熱器與模塊接觸熱阻,散熱風扇的風量等。
二者的IPM必須相同。
實際產品的上述任何參數發生了改變,理論上都要通過樣機測試進行重新標定,圖7為例我們先標定散熱器尺寸和風速模型。


圖7.散熱器熱阻模型標定
然ran後hou需xu要yao實shi測ce散san熱re器qi的de熱re阻zu,下xia圖tu以yi風feng冷leng散san熱re器qi為wei例li,取qu幾ji個ge典dian型xing的de風feng速su點dian,待dai熱re平ping衡heng後hou,測ce量liang散san熱re器qi表biao麵mian溫wen度du和he進jin風feng口kou溫wen度du,並bing計ji算suan散san熱re器qi熱re阻zu。

圖8.散熱器熱阻Vs風速曲線
在相同條件下,通過讀取Tntc的溫度值,同時考慮到風速對散熱器熱阻的影響,我們可以得到圖9的Tj 、VS、Tntc的擬合關係如下:

圖9.Tj VS Tntc在不同風速下的擬合曲線(綠色為最低風速,紅色為中等風速,藍色為最高風速)
同時結合係統負載,可以得到如圖10對應不同Ta條件下的受限於Tjmax的輸出功率值(或者負載相電流值),以及Po-limit(Io-limit)vs.Tntc的曲線。

圖10.Po-limit(Io-limit)vs. Tntc的曲線
結束語利用測試樣機的結溫估算結果,可以在批量生產的產品中針對估算得到的經驗數據,在不同Ta條件下,根據Tntc檢測結果的變化,來設定不同的功率限製值,從而控製Tj不要超過設定Tjmax值,保護IPM不會過熱而損壞。
功率達到限製值後的另外選擇:提高散熱風扇的風速,同時提升輸出功率限值到新風速下的新限值,後期我們就可以直接采用Tntc溫度來合理評估溫度保護何限頻(電機轉速頻率)點。
(來源:英飛淩,作者:王剛、田斌,工業功率控製事業部大中華區應用工程師)
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