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作者：英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區應用工程師 王剛 田斌 引言 IPM模塊是電機驅動(dòng)變頻器的最重要的功率器件, 近些年隨著(zhù)IPM模塊的小型化使模塊Rth(j-c)變大，從而對溫升帶來(lái)了越來(lái)越多的挑戰；雖然芯片技術(shù)的進(jìn)步會(huì )降低器件損耗，能一定程度緩解小型化的溫升問(wèn)題，但不斷成熟的控制技術(shù)和成本控制也需要更有效的利用結溫評估結果進(jìn)行靈活保護。在實(shí)際應用中，工程師最直接也是最常見(jiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是：我檢測到了IPM的NTC的溫度，那么里面IGBT&MOSFET真實(shí)的結溫是多少？本文詳細敘述了實(shí)際使用時(shí)對IPM模塊的各種結溫的計算和測試方法，從直接紅外測試法，內埋熱敏測試，殼溫的測試方法，都進(jìn)行詳細說(shuō)明，以指導技術(shù)人員通過(guò)測量模塊自帶的Tntc的溫度估算或測試IPM變頻模塊的結溫，然后利用開(kāi)發(fā)樣機測試結果對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行結溫估算標定，評估IPM模塊運行的可靠性。 實(shí)際產(chǎn)品中IPM結溫評估的重要性和評估條件 
很顯然在實(shí)際產(chǎn)品中，我們能檢測的溫度信息有Tntc，Ta，以及其他信息有系統功率（或相電流，母線(xiàn)電壓），散熱風(fēng)速（影響熱阻）等，而在開(kāi)發(fā)樣機階段除了Tntc，Ta，還能通過(guò)一定手段檢測Tc，IPM的耗散功率等，從而能根據實(shí)際功率，熱阻參數，Tc來(lái)估算Tj。 實(shí)際產(chǎn)品與開(kāi)發(fā)樣機需要保證負載功率，IPM參數，系統熱阻模型都一致，才能通過(guò)開(kāi)發(fā)測試樣機的定標測試結果來(lái)設定實(shí)際產(chǎn)品不同工況的保護限值，所以實(shí)際產(chǎn)品需要利用的定標參數包括：實(shí)際的負載信息，Ta，Tntc，散熱風(fēng)速等。 IPM的熱阻模型 在準備評估結溫前，我們先復習一遍IPM的熱阻模型，如下圖以英飛凌自帶NTC的Mini系列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，由于Rthch+Rthha<
圖2.IPM的簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)損耗組成，驅動(dòng)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，英飛凌在相關(guān)文檔都有很詳細的論述。 這里只簡(jiǎn)要提及計算過(guò)程，先利用規格書(shū)上圖3的I-V曲線(xiàn)找到不同電流條件下的Vcesat和Vf，通過(guò)跟實(shí)時(shí)電流的積分計算IGBT跟diode的導通損耗。然后利用雙脈沖測試平臺測試不同電流條件下的Eon，Eoff，Erec損耗, 再通過(guò)積分計算得到開(kāi)關(guān)損耗。當然，因為規格書(shū)參數本身會(huì )存在范圍誤差，為了得到更準確地數值，實(shí)際操作時(shí)可能需要更準確的實(shí)測數據得到Ptotal。 得到Ptotal后，我們可以通過(guò)以下公式來(lái)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面溫度 Ptotal：IGBT開(kāi)關(guān)和導通損耗 Rthj-c：IGBT芯片和到封裝表面之間的熱阻
圖3.IGBT和二極管的I-V曲線(xiàn) 對于英飛凌IPM產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，我們有一個(gè)更簡(jiǎn)便的方法，如圖4可以利用仿真工具輸入實(shí)際使用的系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.英飛凌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第一種方法是將模塊在最熱的晶圓處開(kāi)口，露出晶圓并將其涂黑，用紅外測溫儀測量晶圓溫度。這種方法通常在工程研究上做參考評估用，實(shí)際產(chǎn)品測試時(shí)因空間結構所限往往并不可取。
圖5.紅外測溫儀測試結溫 第二種方法需要IPM廠(chǎng)家提供預埋熱電偶的樣品，在最熱晶圓處開(kāi)孔至晶圓外露，預埋熱電藕于晶圓上方足夠近但又不接觸到晶圓的地方，樣機測試時(shí)可以通過(guò)數據采集儀讀取芯片溫度。 預埋熱電偶的測量方法建議通過(guò)測量IPM的直流非開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)來(lái)模擬等損耗條件的實(shí)際工作狀況；直接進(jìn)行動(dòng)態(tài)負載測試建議采用手持式測溫儀減小干擾，并對測量引線(xiàn)及設備的布放進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)際操作時(shí)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(jiàn)并且有效的一種方法：先測試殼溫Tc，通過(guò)結殼熱阻Rthj-c，然后利用我們上述計算出來(lái)的Ptotal功耗來(lái)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(diǎn)溫度需要在散熱器鉆孔或者開(kāi)槽布防熱電藕，如圖6的兩種開(kāi)槽方式：
圖6.Tc測試熱電偶安裝的開(kāi)槽方式 結溫標定 在實(shí)際的項目開(kāi)發(fā)時(shí)，我們只需要在開(kāi)發(fā)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(xiàn)關(guān)系。 實(shí)現利用開(kāi)發(fā)樣機測試結果對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行結溫估算標定，必須滿(mǎn)足下面的條件： 二者的負載功率以及控制方法完全相同。 二者的系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(fēng)扇的風(fēng)量等。 二者的IPM必須相同。 實(shí)際產(chǎn)品的上述任何參數發(fā)生了改變，理論上都要通過(guò)樣機測試進(jìn)行重新標定，圖7為例我們先標定散熱器尺寸和風(fēng)速模型。
圖7.散熱器熱阻模型標定 然后需要實(shí)測散熱器的熱阻，下圖以風(fēng)冷散熱器為例，取幾個(gè)典型的風(fēng)速點(diǎn)，待熱平衡后，測量散熱器表面溫度和進(jìn)風(fēng)口溫度，并計算散熱器熱阻。
圖8.散熱器熱阻Vs風(fēng)速曲線(xiàn) 在相同條件下，通過(guò)讀取Tntc的溫度值，同時(shí)考慮到風(fēng)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(guān)系如下：
最低風(fēng)速 中等風(fēng)速 最高風(fēng)速 圖9.Tj VS Tntc在不同風(fēng)速下的擬合曲線(xiàn) 同時(shí)結合系統負載，可以得到如圖10對應不同Ta條件下的受限于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(xiàn)。
圖10.Po-limit（Io-limit）vs. Tntc的曲線(xiàn) 結束語(yǔ) 利用測試樣機的結溫估算結果，可以在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中針對估算得到的經(jīng)驗數據，在不同Ta條件下，根據Tntc檢測結果的變化，來(lái)設定不同的功率限制值，從而控制Tj不要超過(guò)設定Tjmax值，保護IPM不會(huì )過(guò)熱而損壞。 功率達到限制值后的另外選擇：提高散熱風(fēng)扇的風(fēng)速，同時(shí)提升輸出功率限值到新風(fēng)速下的新限值，后期我們就可以直接采用Tntc溫度來(lái)合理評估溫度保護何限頻（電機轉速頻率）點(diǎn)。 |
