IGBT和MOSFET功率模塊NTC溫度控制

溫度控制是MOSFET或IGBT功率模塊有效工作的關(guān)鍵因素之一。盡管某些MOSFET配有內(nèi)部溫度傳感器 (體二極管)，但其他方法也可以用來監(jiān)控溫度。半導(dǎo)體硅PTC熱敏電阻可以很好進(jìn)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(dá)到更高的檢測線性度。無論傳感器采用表面貼裝器件、引線鍵合裸片還是燒結(jié)裸片，NTC熱敏電阻仍是靈敏度優(yōu)異，用途廣泛的溫度傳感器。只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，可確保模塊正確降額，并最終在過熱或外部溫度過高的情況下關(guān)斷模塊。

本文以鍵合NTC裸片為重點(diǎn)，采用模擬電路仿真的方法說明功率模塊降額和關(guān)斷基本原理。 為什么模擬? 模擬是簡化并以可視方式說明不同現(xiàn)象的理想方法，也適用于開發(fā)直觀應(yīng)用。最后一個(gè)動(dòng)機(jī)是經(jīng)濟(jì)因素：我們僅用免費(fèi)軟件 (LTspice) 開發(fā)仿真，而其他設(shè)計(jì)工具用于更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，我們來看圖1所示LTspice設(shè)計(jì)，這是一個(gè)簡單的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。不過，由于LTspice的多功能性，IGBT和二極管模型被熱模型取代，熱通量用輸出腳明確表示，可將其連接到熱電路 (如散熱器)。我們使用簡單的RC電路 (實(shí)際情況下，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)將Zth模型定義為Cauer或Foster模型)。

圖1

轉(zhuǎn)換器工作期間，熱通量形成熱點(diǎn) (本例中，節(jié)點(diǎn)Tsyst產(chǎn)生電壓，需要控制溫度)。這個(gè)溫度輸入NTC模型 (Vishay引線鍵合裸片NTCC200E4203_T)。NTC信號(hào)通過惠斯通電橋與閾值對比、放大，與鋸齒形信號(hào) (Vsaw) 進(jìn)行比較。最終輸出Vsw是加在IGBT柵極的脈沖信號(hào)。Rlim阻值定義溫度閾值以下，我們在IGBT柵極加100 %滿占空比脈沖。過熱時(shí)—IGBT和二極管產(chǎn)生熱量—加上環(huán)境溫度 (熱電路節(jié)點(diǎn)Tamb電壓)，占空比減小，降壓轉(zhuǎn)換器輸出/輸入比 (Vout / Vcc) 下降。于是，熱量減小，溫度開始恢復(fù)穩(wěn)定。高于一定溫度極限時(shí)，這個(gè)比值必須減小到1。

為在合理時(shí)間內(nèi)完成仿真，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(shí)，我們希望很短時(shí)間內(nèi)看到效果。

以下是仿真結(jié)果：每個(gè)圖中顯示的結(jié)果含或不含溫度降額 (為取消溫度控制，Rlim取值非常低)。                                     

圖2

圖3

圖4

如圖2所示，升壓轉(zhuǎn)換器在最初20 ms內(nèi)通常出現(xiàn)振蕩，未優(yōu)化的表現(xiàn)。溫度Tsyst (圖4) 開始升高，然后環(huán)境溫度升高，當(dāng)Tsyst達(dá)到90 °C時(shí)， Vout / Vcc開始降額。環(huán)境溫度每升高一點(diǎn)，占空比下降一點(diǎn)，直到升壓轉(zhuǎn)換器完全失效。110 °C時(shí)，降額達(dá)到最大值。

沒有溫度保護(hù)，Tsyst可達(dá)到160 °C至170 °C (圖4)。在實(shí)際功率模塊中，裸片峰值溫度可達(dá)到200 °C或更高。

電壓Vsense、Vntc和Vlim如圖3所示。圖5和6顯示不同時(shí)間占空比變化。

當(dāng)然，所有閾值都是可調(diào)的，并且可以相應(yīng)調(diào)整開關(guān)閾值。

圖5

圖6

進(jìn)行更復(fù)雜的仿真時(shí)，我們還可以重建全橋IGBT模塊 (如圖7所示)。這個(gè)電路電感負(fù)載產(chǎn)生50 Hz正弦電流，IGBT開關(guān)頻率為30 kHz。柵極驅(qū)動(dòng)器仿真電路125 °C以下保持恒定頻率，并降低占空比，以減輕IGBT高于這一溫度的損耗。

圖7

圖8中，我們可以看到IGBT開關(guān)產(chǎn)生的總熱功率 (以W表示 I(V6))，以及隨時(shí)間升高的溫度 (以攝氏度表示V(Tsyst))。

圖8下圖顯示生成的電流。

圖8

無需贅述，調(diào)整調(diào)制參數(shù)可降低溫度隨時(shí)間升高 (圖8下圖，紅色曲線)：縮短開關(guān)占空時(shí)間可以減少熱量的產(chǎn)生，但也會(huì)造成正弦信號(hào)損失。

我們不再詳細(xì)介紹這種情況，但我們希望通過提供的示例說明，使用NTC熱敏電阻進(jìn)行LTspice電路仿真具有深遠(yuǎn)意義，可幫助MOSFET / IGBT模塊設(shè)計(jì)工程師開發(fā)直觀的電路，并幫助他們通過減小熱量提供電路保護(hù)。