电力电子功率模块在工程应用中测温NTC的使用

本文主要是介绍电力电子功率模块在工程应用中测温NTC的使用，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1.概述

最近做项目的时候突然被问到一个问题。做实验测温用的NTC到底怎么用？为什么不用PTC？

立创上检索了一下，贴片的NTC很多，贴片的PTC几乎没有。看来，电路板上的NTC应用居多。

2.什么是NTC

NTC温度传感器是一种热敏电阻、探头，其原理为：电阻值随着温度上升而迅速下降。其通常由2或3种金属氧化物组成, 混合在类似流体的粘土中，并在高温炉内锻烧成致密的烧结陶瓷。实际尺寸十分灵活，它们可小至0.010英寸或很小的直径。最大尺寸几乎没有限制，但通常适用半英寸以下。

常见的NTC规格：

3.模块内部NTC

我以功率模块IGBT内部NTC为例（电机控制器领域）。

电力电子器件最重要的参数之一就是芯片的温度。然而对温度的直接测量需要一个装在芯片上甚至与作为芯片一部分的传感器。这会减小芯片通过电流能力的有效区域。
测量芯片温度另一个可行的办法是通过一个热模型并以测量的基板温度作为基础数据开始计算结温。在很多电力电子模块中，热敏电阻，也称作NTC，被集成在内部当作一个温度传感器，以便方便精确测量温度装置的设计。

NTC安装在硅芯片的附近，以得到一个比较紧密的热耦合。根据模块的不同，NTC或者与硅芯片安装在同一块DCB上，或者安装在单独的基片上：

3.1 绝缘隔离措施

在NTC所在位置之外，覆盖着填充模块的隔离胶。在任何经常性工作条件下，这是满足隔离要求的。为确保绝缘隔离质量，在生产过程中要根据EN50187标准进行绝缘测试。这一标准定义了几种不同等级的绝缘隔离标准，分为功能型和加强型的绝缘标准。加强型的绝缘标准，常常用于逆变器中，被定义为：

一个在机械和电气方面的改进型基本绝缘，使得装置对电冲击的防护等级与双重绝缘隔离相同。它可能采用一层或者多层的绝缘材料。

由于高压和NTC之间击穿产生导电通路引起的失效可能性是存在的，导电通路路径如图1所示：

这个导电通路本身可以由故障发生时连接线改变位置连接而成，或者击穿时的电弧产生的等离子路径形成。

出于这个原因，内部NTC的绝缘只是满足功能性的绝缘，因此为了加强隔离，需要加入外部的额外隔离屏障。

近些年来，有一些方法证明是可行的。有：
 把高压作为设计控制电路的参考电位，并在人有接触的部分和整个控制电路间加入绝缘隔离屏障层。
 使用带有内部隔离的运放来检测NTC两端的电压。
 使用隔离器件如磁或光耦将NTC的电压转化为能够传输到控制电路的数字信号。

虽然在一些应用场合，功能性的NTC隔离就足够了，但还是应该充分仔细检查以确保满足一些特殊设计的所有绝缘隔离要求。

3.2 NTC热量考虑

安装在DCB上的NTC在模块内部的热量流动路径简要示意图，如图2所示：

芯片产生的大部分热量是经过散热片直接散热到到环境中。此外，热量是经过DCB材料和基板导热到NTC所在的位置。

由于热量并不是瞬间就能流动的，NTC测量的只是模块稳态工作时的温度。因为相关的时间常数太小，如由短路产生的瞬时温度现象就没办法监测到。

作为一个很重要的结论，NTC不能用于短路保护！

热量情况和热量可能传导路径的等效热路图如图3所示：

从概论中可以得出两个结论：

1. 由于连接芯片结到NTC的路径Rt h JNTC上有温度的降低，热敏电阻的温度TNTC会比结温TJun ct io n来得低。
2. 由于同样的原因，NTC的温度会比散热片上测量的温度来得高。

由经验可知，对于电力电子设备，散热片的温度和NTC的温度的差值约等于10K的温度水平。
如果有些温度值没办法测量，它们需要由Rth-chain值计算得到，则必须知道Rth-chain的值。对于一个给定的模块，IGBT和二极管的相应的RthJC 和RthCH可以从数据手册得到。

由这些数值可以计算热量的情况：

4.使用模拟方法测量NTC温度

这一方法是基于把热传感器NTC作为分压电路的一部分来实现的，如图6所示：

数据手册中用两种不同方式给出了NTC的热特性。根据NTC的热特性图的公式R = f(ϑ)的参数就能采用解析方法近似得到NTC的热特性图。有用的数学表达式为：

如果对于一个较小范围的温度，为了更精确的计算，数据手册还提供了B25/50 和B25/80的值。
由测量得到的电压UR，则实际电阻R(ϑ) 可以计算为：

4.1 分压电阻大小

R1 应当认真选择以得到一个合适的数值。如果选得太小，流过NTC的电流会导致功率损耗，并反过来加热器件从而改变了测量结果。另一方面，如果R1选择得太大，测量得的电压太小，反过来会降低测量精度。

为了将这一电流的影响减小到最小，查看温度是十分有助的。NTC的热导率为145K/W。
如果允许温度有1K的精度差，那么NTC内部的功率损耗不能超过Pmax=6.9mW。假设需要测量的值达到 100°C，NTC的阻值会达到R100=493Ω.

由此可知，电流最大值可以计算为：

对于U1=5V的供电电压和3mA的电流限定值，电阻R1为：

由于没有这样的标称电阻，因此可以选择910Ω的阻值，使得 Imax=3.56mA；可以选择任何使得电流I<4mA的电阻，因为1K温度的偏差是允许的。

5.使用数字方法测量NTC温度

除了用分压电路的方法，NTC的阻值随温度的变化也可用于影响R-C电路的时间常数，基本电路图如图7所示：

通过电阻 R11和R12设置比较器的阈值来改变比较器的输出。输出信号Uout 用于触发晶体管Q1来使电容放电。 由于电容的充电是受NTC的电阻R(ϑ)控制的， Uout是一个频率为fout=g(ϑ)的脉冲。

为了从Uout得到实际的温度值，对于周期固定的脉冲只需要计算脉冲数的数量就可以了。
由脉冲数就可以得到温度值；脉冲数与温度的关系图可以用解析方法或用对照表通过在两个最近的值中由插值方法求出。

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