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鍵因素之一。盡管某些MOSFET配有內部溫度傳感器 (體二極管)，但其他方法也可以用來監控溫度。半導體硅PTC熱敏電阻可以很好進行電流控制，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裸片，NTC熱敏電阻仍是靈敏度優異，用途廣泛的溫度傳感器。只要設計得當，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斷模塊。

本文以鍵合NTC裸片為重點，采用模擬電路仿真的方法說明功率模塊降額和關斷基本原理。 為什么模擬? 模擬是簡化并以可視方式說明不同現象的理想方法，也適用于開發直觀應用。最后一個動機是經濟因素：我們僅用免費軟件 (LTspice) 開發仿真，而其他設計工具用于更加復雜的設計。

現在，我們來看圖1所示LTspice設計，這是一個簡單的升壓轉換器設計。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 (實際情況下，設計人員需要仔細將Zth模型定義為Cauer或Foster模型)。

圖1

轉換器工作期間，熱通量形成熱點 (本例中，節點Tsyst產生電壓，需要控制溫度)。這個溫度輸入NTC模型 (Vishay引線鍵合裸片NTCC200E4203_T)。NTC信號通過惠斯通電橋與閾值對比、放大，與鋸齒形信號 (Vsaw) 進行比較。最終輸出Vsw是加在IGBT柵極的脈沖信號。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—IGBT和二極管產生熱量—加上環境溫度 (熱電路節點Tamb電壓)，占空比減小，降壓轉換器輸出/輸入比 (Vout / Vcc) 下降。于是，熱量減小，溫度開始恢復穩定。高于一定溫度極限時，這個比值必須減小到1。

為在合理時間內完成仿真，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，我們希望很短時間內看到效果。

以下是仿真結果：每個圖中顯示的結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，升壓轉換器在最初20 ms內通常出現振蕩，未優化的表現。溫度Tsyst (圖4) 開始升高，然后環境溫度升高，當Tsyst達到90 °C時， Vout / Vcc開始降額。環境溫度每升高一點，占空比下降一點，直到升壓轉換器完全失效。110 °C時，降額達到最大值。

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

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

當然，所有閾值都是可調的，并且可以相應調整開關閾值。

圖5

圖6

進行更復雜的仿真時，我們還可以重建全橋IGBT模塊 (如圖7所示)。這個電路電感負載產生50 Hz正弦電流，IGBT開關頻率為30 kHz。柵極驅動器仿真電路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開關產生的總熱功率 (以W表示 I(V6))，以及隨時間升高的溫度 (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，調整調制參數可降低溫度隨時間升高 (圖8下圖，紅色曲線)：縮短開關占空時間可以減少熱量的產生，但也會造成正弦信號損失。

我們不再詳細介紹這種情況，但我們希望通過提供的示例說明，使用NTC熱敏電阻進行LTspice電路仿真具有深遠意義，可幫助MOSFET / IGBT模塊設計工程師開發直觀的電路，并幫助他們通過減小熱量提供電路保護。