智能功率模块IPM的结温评估
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引言 IPM模块是电机驱动变频器的最重要的功率器件, 近些年随着IPM模块的小型化使模块Rth(j-c)变大，从而对温升带来了越来越多的挑战；虽然芯片技术的进步会降低器件损耗，能一定程度缓解小型化的温升问题，但不断成熟的控制技术和成本控制也需要更有效的利用结温评估结果进行灵活保护。在实际应用中，工程师最直接也是最常见的一个问题就是：我检测到了IPM的NTC的温度，那么里面IGBT*MOSFET真实的结温是多少？本文详细叙述了实际使用时对IPM模块的各种结温的计算和测试方法，从直接红外测试法，内埋热敏测试，壳温的测试方法，都进行详细说明，以指导技术人员通过测量模块自带的Tntc的温度估算或测试IPM变频模块的结温，然后利用开发样机测试结果对实际产品进行结温估算标定，评估IPM模块运行的可靠性。 实际产品中IPM结温评估的重要性和评估条件
很显然在实际产品中，我们能检测的温度信息有Tntc，Ta，以及其他信息有系统功率（或相电流，母线电压），散热风速（影响热阻）等，而在开发样机阶段除了Tntc，Ta，还能通过一定手段检测Tc，IPM的耗散功率等，从而能根据实际功率，热阻参数，Tc来估算Tj。 实际产品与开发样机需要保证负载功率，IPM参数，系统热阻模型都一致，才能通过开发测试样机的定标测试结果来设定实际产品不同工况的保护限值，所以实际产品需要利用的定标参数包括：实际的负载信息，Ta，Tntc，散热风速等。 IPM的热阻模型 在准备评估结温前，我们先复习一遍IPM的热阻模型，如下图以英飞凌自带NTC的Mini系列IPM模块散热器安装结构为例：
图1.IPM的热阻模型
如图2，P1是IGBT晶圆到模块底部和散热器的散热路径，P2是IGBT晶圆到模块上部的散热路径，由于Rthch Rthha<
图2.IPM的简化热阻模型
IPM的结温计算 IPM的损耗是由IGBT的导通损耗和开关损耗组成，驱动芯片的损耗可以忽略不计，计算原理和分立IGBT的损耗计算是一样的，英飞凌在相关文档都有很详细的论述。 这里只简要提及计算过程，先利用规格书上图3的I-V曲线找到不同电流条件下的Vcesat和Vf，通过跟实时电流的积分计算IGBT跟diode的导通损耗。然后利用双脉冲测试平台测试不同电流条件下的Eon，Eoff，Erec损耗, 再通过积分计算得到开关损耗。当然，因为规格书参数本身会存在范围误差，为了得到更准确地数值，实际操作时可能需要更准确的实测数据得到Ptotal。 得到Ptotal后，我们可以通过以下公式来计算单颗晶圆上的结温Tj： Tj=Tc Ptotal*Rthj-c Tj：IGBT的结温 Tc：模块晶圆正下方的表面温度 Ptotal：IGBT开关和导通损耗 Rthj-c：IGBT芯片和到封装表面之间的热阻
图3.IGBT和二极管的I-V曲线
对于英飞凌IPM产品来说，我们有一个更简便的方法，如图4可以利用仿真工具输入实际使用的系统条件就可以直接算出对应IPM在指定条件下的损耗和结温。
图4.英飞凌IPM仿真工具
结温的检测方法 通常我们能想到两种最直接的办法，一种红外测温仪直接检测，一种是预埋热电藕测试。 |
