IGBT和MOSFET功率模块NTC温度控制
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2021-06-25作者：安服优
温度控制是MOSFET或IGBT功率模块有效工作的关键因素之一。尽管某些MOSFET配有内部温度传感器 (体二极管)，但其他方法也可以用来监控温度。半导体硅PTC热敏电阻可以很好进行电流控制，或铂基或铌基(RTD)电阻温度检测器可以用较低阻值，达到更高的检测线性度。无论传感器采用表面贴装器件、引线键合裸片还是烧结裸片，NTC热敏电阻仍是灵敏度优异，用途广泛的温度传感器。只要设计得当，可确保模块正确降额，并最终在过热或外部温度过高的情况下关断模块。
本文以键合NTC裸片为重点，采用模拟电路仿真的方法说明功率模块降额和关断基本原理。为什么模拟? 模拟是简化并以可视方式说明不同现象的理想方法，也适用于开发直观应用。最后一个动机是经济因素：我们仅用免费软件 (LTspice) 开发仿真，而其他设计工具用于更加复杂的设计。
现在，我们来看图1所示LTspice设计，这是一个简单的升压转换器设计。不过，由于LTspice的多功能性，IGBT和二极管模型被热模型取代，热通量用输出脚明确表示，可将其连接到热电路 (如散热器)。我们使用简单的RC电路 (实际情况下，设计人员需要仔细将Zth模型定义为Cauer或Foster模型)。
图1
转换器工作期间，热通量形成热点 (本例中，节点Tsyst产生电压，需要控制温度)。这个温度输入NTC模型 (Vishay引线键合裸片NTCC200E4203_T)。NTC信号通过惠斯通电桥与阈值对比、放大，与锯齿形信号 (Vsaw) 进行比较。最终输出Vsw是加在IGBT栅极的脉冲信号。Rlim阻值定义温度阈值以下，我们在IGBT栅极加100 %满占空比脉冲。过热时—IGBT和二极管产生热量—加上环境温度 (热电路节点Tamb电压)，占空比减小，降压转换器输出/输入比 (Vout / Vcc) 下降。于是，热量减小，温度开始恢复稳定。高于一定温度极限时，这个比值必须减小到1。为在合理时间内完成仿真，必须降低散热器热量。热量增加可能需要几分钟甚至几小时，我们希望很短时间内看到效果。
以下是仿真结果：每个图中显示的结果含或不含温度降额 (为取消温度控制，Rlim取值非常低)。
图2
图3
图4
如图2所示，升压转换器在最初20 ms内通常出现振荡，未优化的表现。温度Tsyst (图4) 开始升高，然后环境温度升高，当Tsyst达到90 °C时， Vout / Vcc开始降额。环境温度每升高一点，占空比下降一点，直到升压转换器完全失效。110 °C时，降额达到最大值。没有温度保护，Tsyst可达到160 °C至170 °C (图4)。在实际功率模块中，裸片峰值温度可达到200 °C或更高。
电压Vsense、Vntc和Vlim如图3所示。图5和6显示不同时间占空比变化。
当然，所有阈值都是可调的，并且可以相应调整开关阈值。
图5
图6
进行更复杂的仿真时，我们还可以重建全桥IGBT模块 (如图7所示)。这个电路电感负载产生50 Hz正弦电流，IGBT开关频率为30 kHz。栅极驱动器仿真电路125 °C以下保持恒定频率，并降低占空比，以减轻IGBT高于这一温度的损耗。
图7
图8中，我们可以看到IGBT开关产生的总热功率 (以W表示 I(V6))，以及随时间升高的温度 (以摄氏度表示V(Tsyst))。图8下图显示生成的电流。
图8
无需赘述，调整调制参数可降低温度随时间升高 (图8下图，红色曲线)：缩短开关占空时间可以减少热量的产生，但也会造成正弦信号损失。我们不再详细介绍这种情况，但我们希望通过提供的示例说明，使用NTC热敏电阻进行LTspice电路仿真具有深远意义，可帮助MOSFET / IGBT模块设计工程师开发直观的电路，并帮助他们通过减小热量提供电路保护。
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