NTC热敏电阻芯片作为温度传感器在IGBT中的功能与应用-华巨电子


IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。



左边所示为一个N沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构, N+区称为源区,附于其上的电极称为源极(即发射极E)。P+区称为漏区。器件的控制区为栅区,附于其上的电极称为栅极(即门极G)。沟道在紧靠栅区边界形成。在C、E两极之间的P型区(包括P+和P-区)(沟道在该区域形成),称为亚沟道区(Subchannel region)。而在漏区另一侧的P+区称为漏注入区(Drain injector),它是IGBT特有的功能区,与漏区和亚沟道区一起形成PNP双极晶体管,起发射极的作用,向漏极注入空穴,进行导电调制,以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极(即集电极C)。

 

IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给PNP(原来为NPN)晶体管提供基极电流,使IGBT导通。反之,加反向门极电压消除沟道,切断基极电流,使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同,只需控制输入极N-沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后,从P+基极注入到N-层的空穴(少子),对N-层进行电导调制,减小N-层的电阻,使IGBT在高电压时,也具有低的通态电压。

 

在IGBT模块变流器装置中,最关键的参数之一是IGBT芯片的温度。直接测量的办法是将温度传感器安装在芯片上或者成为芯片的一部分。如此做将会减少承载芯片电流能力的有效区域。一个可行的替代方案用来确定芯片的温度,从测量基板的温度作为一个已知点开始,使用热模型计算IGBT温度。在许多英飞凌的电力电子模块中,通常集成了NTC热敏邦定晶片热敏电阻,也称之为NTC热敏邦定晶片芯片,作为一个温度传感器以简化精确的温度测量的设计。

 

 IGBT一些新封装结构的模块中,内部封装有NTC热敏邦定晶片温度传感器(NTC热敏邦定晶片热敏电阻晶片)。如功率集成模块(PIM);六单元(EconoPACK)FS系列;三相整流桥(Econobridge);EasyPIM;EasyPACK;Easybridge;四单元H-桥(Econo-FourPACk);增强型半桥(Econodual+)等模块内均封装有NTC热敏邦定晶片温度传感器。NTC热敏邦定晶片是负温度系数热敏电阻,它可以有效地检测功率模块的稳态壳温(Tc)。模块内封装的(NTC热敏邦定晶片热敏电阻晶片参数完全相同。NTC热敏邦定晶片是安装在硅片的附近以实现紧密的热耦合,根据不同的模块,可将用于测量模块壳温的NTC热敏邦定晶片温度传感器与芯片直接封装在同一个陶瓷基板(DCB)上,也可以将NTC热敏邦定晶片热敏电阻安装在一个单独的基板上,大大简化模块壳温的测量过程,如下图所示。


 图1 NTC热敏邦定晶片 inside theEconoDUAL™3 mounted on a separate DCB close to the IGBT.


 

图2 NTC热敏邦定晶片 inside a module without baseplate, mounted close to the silicon


图3所示,NTC热敏邦定晶片与IGB或二极管芯片位于同一陶瓷基板上,模块内使用隔离用硅胶填充,在正常运行条件下,它是满足隔离电压的要求。EUPEC在IGBT模块最终测试中,对NTC热敏邦定晶片进行2.5KV交流,1分钟100%的隔离能力测试。但根据EN50178的要求,必须满足可能出现的任何故障期间保持安全隔离。由于IBGT模块内NTC热敏邦定晶片可能暴露在高压下(例如:短路期间或模块烧毁后),用户还须从外部进行安全隔离。

如图4所示,当模块内部短路过流,或烧毁的过程中连线会熔化,并产生高能量的等离子区,而所有连线的等离子区的扩展方向都无法预期,如等离子区接触到NTC热敏邦定晶片,NTC热敏邦定晶片热敏电阻就会暴露在高压下,这就是用户需在外部进行安全隔离的必要性。



可靠隔离的措施

要实现可靠隔离,可以采用多种不同的方法,在某些应用中,NTC热敏邦定晶片热敏温度传感器本身的隔离能力已经足够。由于每个应用情况不同,而且用户内部设计标准也各不相同,因此,应根据各自的用途,设计符合要求的隔离。最常用的外部隔离方法是:将NTC热敏邦定晶片与比较电路,通过光耦与控制逻辑隔离开,如图5所示。



在隔离失效的情况下,可能会在高压与NTC热敏邦定晶片之间产生一个通路,如下图所示:



该通路可能是在失效事件中移动的键合线改变位置造成,或者失效事件中电弧放电产生的等离子体通道。因此,内部NTC热敏邦定晶片的隔离只能满足功能隔离。如果需要加强隔离,需要在外部添加额外的隔离层。在最近几年中,以下几种方法已被证明是可行的选择,其中:


• Having the control designed with reference to the high voltage and add an isolation barrier between touchable parts and the whole control electronic


• Use analog amplifiers with internal isolation barrier to sense the voltage across the NTC热敏邦定晶片


• Transfer the NTC热敏邦定晶片’s voltage to a digital information that can be transported to the control by means of isolating elements like magnetic or optic couplers


尽管在一般应用中,NTC热敏邦定晶片的功能性隔离已经足够,但是在特殊场合设计中应该检查所有的隔离要求是否都可以满足。

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