【導(dǎo)讀】溫度控制是 MOSFET 或 IGBT 功率模塊有效工作的關(guān)鍵因素之一。盡管某些 MOSFET 配有內(nèi)部溫度傳感器 (體二極管)，但其他方法也可以用來監(jiān)控溫度。半導(dǎo)體硅 PTC 熱敏電阻可以很好進(jìn)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(dá)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(jié)裸片，NTC 熱敏電阻仍是靈敏度優(yōu)異，用途廣泛的溫度傳感器。只要設(shè)計(jì)得當(dāng)，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(guān)斷模塊。
本文以鍵合 NTC 裸片為重點(diǎn)，采用模擬電路仿真的方法說明功率模塊降額和關(guān)斷基本原理。為什么用模擬方式? 模擬是簡化并以可視方式說明不同現(xiàn)象的理想方法，也適用于開發(fā)直觀的應(yīng)用。最后一個(gè)原因則是：我們僅用免費(fèi)軟件 (LTspice) 開發(fā)仿真，而其他設(shè)計(jì)工具則用于更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)。
用 LPspice 進(jìn)行仿真模擬
1.電路圖設(shè)計(jì)
現(xiàn)在，我們來看圖1所示 LTspice 設(shè)計(jì)，這是一個(gè)簡單的升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。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(shí)際情況下，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)將 Zth 模型定義為 Cauer 或 Foster 模型)。
圖1
轉(zhuǎn)換器工作期間，熱通量形成熱點(diǎn) (本例中，節(jié)點(diǎn) Tsyst 產(chǎn)生電壓，需要控制溫度)。這個(gè)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(jìn)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(shí)—IGBT 和二極管產(chǎn)生熱量—加上環(huán)境溫度 (熱電路節(jié)點(diǎn) Tamb 電壓)，占空比減小，降壓轉(zhuǎn)換器輸出/輸入比 (Vout/Vcc) 下降。于是，熱量減小，溫度開始恢復(fù)穩(wěn)定。高于一定溫度極限時(shí)，這個(gè)比值必須減小到 1。
為在合理時(shí)間內(nèi)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(shí)，我們希望很短時(shí)間內(nèi)看到效果。
2.仿真結(jié)果
以下是仿真結(jié)果：每個(gè)圖中顯示的結(jié)果含或不含溫度降額 (為取消溫度控制，Rlim 取值非常低)。
圖2（1.不含溫度降額 2.含溫度降額）
圖3
圖4（1.不含溫度降額 2.含溫度降額）
如圖2所示，升壓轉(zhuǎn)換器在最初 20ms 內(nèi)通常出現(xiàn)振蕩，未優(yōu)化的表現(xiàn)。溫度 Tsyst(圖4) 開始升高，然后環(huán)境溫度升高，當(dāng) Tsyst 達(dá)到 90°C 時(shí)，Vout/Vcc 開始降額。環(huán)境溫度每升高一點(diǎn)，占空比下降一點(diǎn)，直到升壓轉(zhuǎn)換器完全失效。110°C 時(shí)，降額達(dá)到最大值。
沒有溫度保護(hù)，Tsyst 可達(dá)到 160°C 至 170°C (圖4)。在實(shí)際功率模塊中，裸片峰值溫度可達(dá)到 200°C或更高。
電壓 Vsense、Vntc 和 Vlim 如圖3所示。圖5-圖6顯示不同時(shí)間占空比變化。
當(dāng)然，所有閾值都是可調(diào)的，并且可以相應(yīng)調(diào)整開關(guān)閾值。
圖5
圖6
更復(fù)雜的仿真模擬設(shè)計(jì)
進(jìn)行更復(fù)雜的仿真時(shí)，我們還可以重建全橋 IGBT 模塊 (如圖7所示)。這個(gè)電路電感負(fù)載產(chǎn)生 50Hz 正弦電流，IGBT 開關(guān)頻率為 30kHz。柵極驅(qū)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
從圖8中，我們可以看到 IGBT 開關(guān)產(chǎn)生的總熱功率 (以 W 表示 I(V6))，以及隨時(shí)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
總結(jié)
無需贅述，調(diào)整調(diào)制參數(shù)可降低溫度隨時(shí)間升高 (上圖8的紅色曲線)：縮短開關(guān)占空時(shí)間可以減少熱量的產(chǎn)生，但也會造成正弦信號損失。
這里我們不再詳細(xì)介紹，但希望通過提供的示例說明，使用 NTC 熱敏電阻進(jìn)行 LTspice 電路仿真具有更深遠(yuǎn)意義，可以幫助 MOSFET / IGBT 模塊設(shè)計(jì)工程師更為直觀地開發(fā)電路，并幫助他們通過減小熱量提供電路保護(hù)。
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