如何使用模块内部NTC测量温度值
芯片的温度是电力电子器件运行时最重要的参数之一。测量芯片温度的一个可行的办法是测量底板温度作为基础数据，然后通过一个热模型来计算结温。在英飞凌公司的很多功率模块中，热敏电阻，也称作ntc，作为一个温度传感器集成在模块内部，用来方便地测量温度。
本文详细介绍说明了有关的隔离措施以及如何使用ntc测量温度值。
内部设计
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板上。
图1 (a) econodualtm 3内部的ntc安装在靠近igbt 的独立的dcb上
图1(b)没有底板的模块ntc，安装在靠近硅芯片的地方
绝缘隔离措施
不管ntc处于什么位置，都被模块内部填充的硅胶所覆盖，可以满足常规工作条件下的隔离需求。如果失效，高压侧与ntc之间将产生导电通路，导电通路路径如图2所示:
图2 击穿失效时的导电通路路径
这个导电通路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，如果需要加强隔离，需要加入外部隔离屏障。可行的方法有：
- 把高压作为设计控制电路的参考电位，并在人可接触部分和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。
ntc的散热情况
内置ntc的模块内部的热量流动路径如图3所示
图3 电力电子模块内部的热量流动
芯片产生的大部分热量通过散热片直接散到环境中。除此之外，还有一部分热量经过dcb基板和底板传导到ntc所在的位置。 由于热量无法瞬间流动，ntc只适合测量模块稳态工作时的温度。因为相关的时间常数太小，一些瞬时现象，比如短路时产生的瞬时热量就没办法监测到。
一个重要的结论，ntc不能用于短路保护!
热传导路径的等效热路图如图4所示：
图4 等效热路原理图
可以得出两个结论:
1.由于连接结到ntc的路径rthjntc上有温度的降低，热敏电阻的温度tntc会比结温tjunction低。
2.由于同样的原因，ntc的温度会比散热片上测量的温度高。
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。
如果要计算无法直接测量到的温度值，则必须知道热传导路径上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。
igbt值
二极管值
图5 英飞凌电力电子模块数据手册中的rth值
根据以上数值可以使用以下公式模拟计算各点温度:
如欲了解有关热量建模和热量计算的更多信息，请查阅英飞凌应用手册an2008-03 thermal equivalent circuit models（热等效电路模型）。
使用模拟方法测量ntc
这一方法是基于把ntc作为分压电路的一部分来实现的，如图6所示:
图6 利用内部ntc构成的分压器
数据手册中用两种不同方式给出了ntc的热特性。可以用解析方法拟合ntc的热特性图。其数学表达式为：
其中:
对于一个较小范围内的温度，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：
从而可推导出实际温度的表达式：
根据测量得到的ur值，使用一个微处理器简单求解这个等式就可以得到待测温度值。如果只需最大温度的一个阈值信号，则使用一个在预定值触发的比较器就足够了。
分压器中r1的大小
应当认真选择r1的阻值。如果选得太小，流过ntc的电流产生的功率损耗会加热ntc从而改变测量结果。另一方面，如果r1选择得太大，测得的电压太小，从而会降低测量精度。
为了将电流的影响降到最低，需要对ntc热特性进行分析。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。假设待测温度值为100°c，ntc的阻值为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；在允许1k温度偏差的情况下，可以选择任何使得电流i<4ma的电阻。
使用数字方法测量ntc
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：
图7 采用数字方法获得的温度的基本原理图
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，只需要计算固定周期内的脉冲数就可以了。脉冲数与温度的之间的对应关系，可以用解析表达式或用查表方式获得，对于两个标定点之间的数值可以由插值方法得出。
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图1 (a) econodualtm 3内部的ntc安装在靠近igbt 的独立的dcb上
图1(b)没有底板的模块ntc，安装在靠近硅芯片的地方
绝缘隔离措施
不管ntc处于什么位置，都被模块内部填充的硅胶所覆盖，可以满足常规工作条件下的隔离需求。如果失效，高压侧与ntc之间将产生导电通路，导电通路路径如图2所示:
图2 击穿失效时的导电通路路径
这个导电通路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，如果需要加强隔离，需要加入外部隔离屏障。可行的方法有：
- 把高压作为设计控制电路的参考电位，并在人可接触部分和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。
ntc的散热情况
内置ntc的模块内部的热量流动路径如图3所示
图3 电力电子模块内部的热量流动
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图4 等效热路原理图
可以得出两个结论:
1.由于连接结到ntc的路径rthjntc上有温度的降低，热敏电阻的温度tntc会比结温tjunction低。
2.由于同样的原因，ntc的温度会比散热片上测量的温度高。
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igbt值
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