基于NTC的智能功率模块温度监测方法论文_苏宇泉

摘要 对结温的准确监控是保证功率半导体可靠运行的关键。市面上基于DBC架构的智能功率模块在温度检测上存在较大误差。本文使用绝缘金属基板的智能功率模块集成温度检测电阻，通过测定和计算IGBT耗散功率及结-壳热阻，并匹配合适的外围电路，实现了高可靠性的温度监测，有利于提高电控系统的可靠性。

关键词 智能功率模块； 热敏电阻； 耗散功率

智能功率模块（Intelligent Power Module）是先进的混合集成功率器件,由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成，广泛应用于家电、电动汽车、机器人、光伏等领域。[1]对于智能功率模块来说，芯片（如IGBT、FRD）温度是极为重要的一个参数。为了获得结温，最直接的方法是在芯片上直接贴装传感器，或者直接在芯片中集成温度传感器。但是这种办法会减少芯片的有效通流面积，影响其性能，市面上绝大部分芯片都没有此功能。因此，一般通过其它办法获取芯片结温。在开发阶段，可以使用红外成像的方式测试智能功率模块的温度分布。如果要获得准确结温，也可以把芯片表面的树脂刻蚀掉，再用红外成像仪进行拍摄。而在实际使用过程中，一般使用集成的负温度系数热敏电阻（NTC）来检测器件工作温度，该结果可以实时反馈到控制终端，以实现过温保护。本文讨论了智能功率模块中NTC的使用方法，并推算出NTC输出电压与器件结温的关系。

实验材料

把六个IGBT、六个FRD以及一枚HVIC贴装在一块金属绝缘基板上，通过注塑工艺封装，做成一个可实现三相逆变的智能功率模块。IGBT栅极由HVIC控制，且可实现欠压保护、过流保护等功能，电路原理图见图1。其中，在模块中集成了NTC，其一端连接在逻辑地引脚COM上，另一端单独引出，用于检测温度。

图1 智能功率模块电路原理图

选用的NTC的B值为4250，在25℃下阻值为100 kΩ。其阻值随温度指数减少，在温度T下的阻值可由下式计算：

式中，RT是环境温度为T(K)时的电阻值，R25是环境温度为25℃时的标准电阻值，B为B常数。B常数显示随温度变化，热敏电阻的电阻值变化倾向，此为负温度系数(NTC) 热敏电阻的基本特性。由此我们可以得到NTC的温度特性曲线，如图2所示。在实际使用过程中，一般更关注50℃以上的阻值。

图2 NTC阻值-温度曲线

分析方法

晶圆工作时所产生的热绝大部分均直接传导到基板，然后扩散到环境中。此外，一部分热在基板上横向传导到NTC的位置。NTC可以获得稳态下的基板温度。由于在芯片到NTC的传输路径上存在热阻，温度会下降，热敏电阻上的温度TNTC会低于结温TJ。

为了把NTC的阻值变化转换为可读取的温度变化，需要在智能功率模块TH引脚上外接上拉电阻。当NTC阻值发生变化时，由于上拉电阻RP的存在的存在，TH脚输出的电压也发生变化，该电压信号由MCU接收，实现温度监测与保护。上拉电阻RP的阻值选择非常重要。如果选得太小，则在固定的上拉电压下，NTC的电流过大，导致内部温度升高，影响测试的准确性。而如果选用太大的RP，NTC上分到的电压太小，会影响测试的精确性。本文选用的的NTC的热导率为145K/W。假设需要1℃的精确度，则NTC内部的热耗散不能超过PMAX=6.9 mW。假设需要在120℃下进行测试，此时NTC阻值R120=2.91kΩ，则最大允许电流为：

使用5V的上拉电压，且根据上式结果限制最大电流IMAX<1mA，则可以算得上拉电阻RP为：

即为了获得1K以上的精确度，只需要使用大于340Ω的上拉电阻。在实际应用中，还需要考虑电压测量的精确性，即NTC上的压降变化需要足够大，才能满足MCU的检测要求。

为了从NTC温度推算结温，还需要知道模块功率器件的结-壳热阻Rth，jc,该参数可按JESD51标准使用瞬态双界面检测法进行测定。[2,3]该方法在外壳表面和热沉之间采用了不同的热传导条件，分别检测两种热传导条件下的结温，结合数学计算过程便可以估算出结壳热阻。由于仅需要测量结温便可以得到结壳热阻，也就避免了壳温测量引入的误差。结温测量过程需要参照JESD51-1中所提及的结温检测方法。具体结壳热阻的估算和计算方法需要遵照JESD51-14标准提及的两种方法，即热阻抗分离法和结构函数分离法。[4,5]由此测得本实验所用模块的IGBT结-壳热阻为4.9℃/W。

下一步需计算IGBT工作时的功率，包括动态损耗和静态损耗两部分。假设本模块用于电机驱动中，由于控制算法，IGBT的电流按照正弦变化，半周期导通，另半周期关断。则IGBT的静态损耗由下式计算：

式中，UCE为IGBT的导通压降；IC为工作电流，随正弦波周期变化；τ为导通周期。

动态损耗则包含开通损耗和关断损耗两部分，通过示波器测量IGBT开关时的电压和电流曲线，将两条曲线的乘积进行积分，即为 IGBT的损耗。图3为实际测得的开关过程曲线。

图3 IGBT开通（左）和关断（右）过程

综合以上结果，可以得出模块中单个IGBT的功率PI为3.6W。由NTC测得智能功率模块的基板温度TC，且已知结-壳热阻Rth，jc和功率PI，可以计算出稳态下IGBT的结温：

在实际应用过程中，MCU接收到的是TH引脚处的电压，需要把此电压与结温相对应，才可以实现温度监测。我们已推导出了NTC温度与结温的关系，为了便于应用，还需要进一步得到电压与结温的关系。选用阻值为6.8kΩ的上拉电阻，精度为1%，电压VP=5V，精度为2%。可以计算出电压-结温曲线，并如图4所示。

图4 电压-结温曲线

讨论

为了从NTC温度推算结温，需要获得智能功率模块IGBT的热阻、功耗数据；为了把温度转化为MCU可读取的信号 ，还需要匹配适当的外围电路。在5V的上拉电压下，本文所使用的智能功率模块及外围电路在140℃时的TH输出电压约为1.5V，在120℃时约为2.2V。一般硅基器件的极限工作结温为150℃，在实际使用过程中建议控制结温在120℃以下，因此可以设置MCU在Vout低于2.2V时触发保护。也可以把TH引脚与智能功率模块HVIC的使能端引脚连接，通过在特定电压下拉低使能端来达到过温保护的目的。本文使用的是绝缘金属基板架构的智能功率模块,金属基板与市面上常见的陶瓷基板相比，有着优异的横向导热率。并且在模块版图设计时，让NTC尽量靠近发热的器件，使得NTC位置处测得的基板温度与晶圆粘贴位置实际的基板温度是基本一致的。

参考文献:

[1]冯宇翔. 主流智能功率模块分析. 家电科技, 2014, (3):88-90.

[2]JESD51-1: Integrated Circuits Thermal Measurement Method-Electrical Test Method (Single Semiconductor Device), JEDEC, 1995.

[3]JESD51-14: Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path, JEDEC, 2010.

[4]M. Rencz, A. Poppe, et al., Increasing the Accuracy of Structure Function Based Thermal Material Parameter Measurements, IEEE Transactions On Components and Packaging Technologies, 28(1):51-57, 2005.

[5]冯宇翔. 智能功率模块热分布. 家电科技, 2014, (2):85-87.

[6] Authors Andreas Volke & Michael Hornkamp. IGBT Modules: Technologies, Driver and Application, Infineon Technologies, 2012.

论文作者:苏宇泉

论文发表刊物:《电力设备》2019年第22期

论文发表时间:2020/4/13

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