IPM模塊是電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的最重要的功率器件,， 近些年隨著IPM模塊的小型化使模塊Rth（j-c）變大,，從而對(duì)溫升帶來(lái)了越來(lái)越多的挑戰(zhàn),；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(jié)溫評(píng)估結(jié)果進(jìn)行靈活保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)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(cè)到了IPM的NTC的溫度,，那么里面IGBT&MOSFET真實(shí)的結(jié)溫是多少？本文詳細(xì)敘述了實(shí)際使用時(shí)對(duì)IPM模塊的各種結(jié)溫的計(jì)算和測(cè)試方法,，從直接紅外測(cè)試法,，內(nèi)埋熱敏測(cè)試，殼溫的測(cè)試方法,，都進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以指導(dǎo)技術(shù)人員通過(guò)測(cè)量模塊自帶的Tntc的溫度估算或測(cè)試IPM變頻模塊的結(jié)溫,，然后利用開(kāi)發(fā)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)溫估算標(biāo)定,，評(píng)估IPM模塊運(yùn)行的可靠性。

　　實(shí)際產(chǎn)品中IPM結(jié)溫評(píng)估的重要性和評(píng)估條件

　　很顯然在實(shí)際產(chǎn)品中,，我們能檢測(cè)的溫度信息有Tntc,，Ta，以及其他信息有系統(tǒng)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(jī)階段除了Tntc,，Ta,，還能通過(guò)一定手段檢測(cè)Tc，IPM的耗散功率等,，從而能根據(jù)實(shí)際功率,，熱阻參數(shù)，Tc來(lái)估算Tj,。

　　實(shí)際產(chǎn)品與開(kāi)發(fā)樣機(jī)需要保證負(fù)載功率,，IPM參數(shù)，系統(tǒng)熱阻模型都一致,，才能通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)試樣機(jī)的定標(biāo)測(cè)試結(jié)果來(lái)設(shè)定實(shí)際產(chǎn)品不同工況的保護(hù)限值,，所以實(shí)際產(chǎn)品需要利用的定標(biāo)參數(shù)包括：實(shí)際的負(fù)載信息，Ta,，Tntc,，散熱風(fēng)速等。

　　IPM的熱阻模型

　　在準(zhǔn)備評(píng)估結(jié)溫前,，我們先復(fù)習(xí)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(jié)構(gòu)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《Rthc2a，所以P1為主要的功率耗散通道,。同時(shí)我們要注意散熱風(fēng)量會(huì)影響Rthha跟Rthc2a,。

　　圖2.IPM的簡(jiǎn)化熱阻模型

　　IPM的結(jié)溫計(jì)算

　　IPM的損耗是由IGBT的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗組成,，驅(qū)動(dòng)芯片的損耗可以忽略不計(jì)，計(jì)算原理和分立IGBT的損耗計(jì)算是一樣的,，英飛凌在相關(guān)文檔都有很詳細(xì)的論述,。

　　這里只簡(jiǎn)要提及計(jì)算過(guò)程，先利用規(guī)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(jì)算IGBT跟diode的導(dǎo)通損耗,。然后利用雙脈沖測(cè)試平臺(tái)測(cè)試不同電流條件下的Eon，Eoff,，Erec損耗,， 再通過(guò)積分計(jì)算得到開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)然,，因?yàn)橐?guī)格書(shū)參數(shù)本身會(huì)存在范圍誤差,，為了得到更準(zhǔn)確地?cái)?shù)值，實(shí)際操作時(shí)可能需要更準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到Ptotal,。

　　得到Ptotal后,，我們可以通過(guò)以下公式來(lái)計(jì)算單顆晶圓上的結(jié)溫Tj：

　　Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c

　　Tj：IGBT的結(jié)溫

　　Tc：模塊晶圓正下方的表面溫度

　　Ptotal：IGBT開(kāi)關(guān)和導(dǎo)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(duì)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(tǒng)條件就可以直接算出對(duì)應(yīng)IPM在指定條件下的損耗和結(jié)溫,。

　　圖4.英飛凌IPM仿真工具

　　結(jié)溫的檢測(cè)方法

　　通常我們能想到兩種最直接的辦法，一種紅外測(cè)溫儀直接檢測(cè),，一種是預(yù)埋熱電藕測(cè)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(cè)溫儀測(cè)量晶圓溫度,。這種方法通常在工程研究上做參考評(píng)估用，實(shí)際產(chǎn)品測(cè)試時(shí)因空間結(jié)構(gòu)所限往往并不可取,。

　　圖5.紅外測(cè)溫儀測(cè)試結(jié)溫

　　第二種方法需要IPM廠(chǎng)家提供預(yù)埋熱電偶的樣品,，在最熱晶圓處開(kāi)孔至晶圓外露，預(yù)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(jī)測(cè)試時(shí)可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀讀取芯片溫度,。

　　預(yù)埋熱電偶的測(cè)量方法建議通過(guò)測(cè)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(fù)載測(cè)試建議采用手持式測(cè)溫儀減小干擾,，并對(duì)測(cè)量引線(xiàn)及設(shè)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(jié)殼熱阻法測(cè)量模塊結(jié)溫是比較常見(jiàn)并且有效的一種方法：先測(cè)試殼溫Tc,，通過(guò)結(jié)殼熱阻Rthj-c,，然后利用我們上述計(jì)算出來(lái)的Ptotal功耗來(lái)計(jì)算得到結(jié)溫（Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c）。

　　Tc殼溫指的是最高結(jié)溫晶圓正對(duì)散熱器的殼的溫度，要測(cè)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(cè)試熱電偶安裝的開(kāi)槽方式

　　結(jié)溫標(biāo)定

　　在實(shí)際的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí),，我們只需要在開(kāi)發(fā)前期測(cè)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(duì)應(yīng)曲線(xiàn)關(guān)系,。

　　實(shí)現(xiàn)利用開(kāi)發(fā)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)溫估算標(biāo)定，必須滿(mǎn)足下面的條件：

　　二者的負(fù)載功率以及控制方法完全相同,。

　　二者的系統(tǒng)熱阻參數(shù)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(shù)發(fā)生了改變,，理論上都要通過(guò)樣機(jī)測(cè)試進(jìn)行重新標(biāo)定，圖7為例我們先標(biāo)定散熱器尺寸和風(fēng)速模型,。

　　圖7.散熱器熱阻模型標(biāo)定

　　然后需要實(shí)測(cè)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(cè)量散熱器表面溫度和進(jìn)風(fēng)口溫度，并計(jì)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(duì)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：

　　圖9.Tj VS Tntc在不同風(fēng)速下的擬合曲線(xiàn)

　　同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)負(fù)載,，可以得到如圖10對(duì)應(yīng)不同Ta條件下的受限于Tjmax的輸出功率值（或者負(fù)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(jié)束語(yǔ)

　　利用測(cè)試樣機(jī)的結(jié)溫估算結(jié)果,，可以在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中針對(duì)估算得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),，在不同Ta條件下，根據(jù)Tntc檢測(cè)結(jié)果的變化,，來(lái)設(shè)定不同的功率限制值,，從而控制Tj不要超過(guò)設(shè)定Tjmax值，保護(hù)IPM不會(huì)過(guò)熱而損壞。

　　功率達(dá)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(píng)估溫度保護(hù)何限頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率）點(diǎn)。