如何使用模块内部的NTC测量温度值

文章出处：yaxun88 人气：发表时间：2019-11-30 16:52

如何使用模块的内部NTC测量温度值

芯片的温度是电力电子设备运行中最重要的参数之一。一种测量芯片温度的可能方法是测量基板温度作为基础数据，然后通过热模型计算结温。在英飞凌的许多电源模块中，热敏电阻（也称为NTC）已集成在模块内部，作为温度传感器，可轻松进行温度测量。

本文详细介绍了隔离措施以及如何使用NTC测量温度值。

内部设计
NTC安装在硅芯片附近，以实现紧密的热耦合。根据模块的不同，NTC可以安装在与硅芯片相同的DCB上，也可以安装在单独的基板上。
EconoDUALTM 3内部的NTC
图1（a）将EconoDUALTM 3安装在IGBT附近的NTC单独DCB的内部

图1（b）不带背板的模块NTC，安装在硅芯片附近

无论NTC位于何处，其均被填充在模块内部的硅酮覆盖，以满足正常工作条件下的隔离要求。如果失败，则会在高压侧和NTC之间产生导电路径。导电路径如图2所示：

图2击穿失败时的导电路径

该导电路径可以通过在发生故障时通过连接线的连接来形成，或者通过在击穿时由电弧产生的等离子体路径来形成。因此，内部NTC的绝缘只是功能绝缘，如果需要隔离，则需要外部隔离栅。可能的方法是：
-使用高压作为设计控制电路的参考电位，并在人的触点和控制电路之间增加隔离层。 -使用内部隔离的运算放大器来检测NTC两端的电压。 -使用磁或光耦合器之类的隔离设备将NTC的电压转换为可传输到控制电路的数字信号。

NTC散热
内置NTC的模块的内部热流路径如图3所示。
功率电子模块内部的热流
图3功率电子模块内部的热流

芯片产生的大部分热量都通过散热器直接散发到环境中。另外，一部分热量通过DCB基板和背板传导至NTC所在的位置。由于热量不能瞬间流动，因此NTC仅适用于测量模块在稳态下运行的温度。由于相关的时间常数太小，因此无法监视某些瞬态现象，例如在短路期间产生的瞬时热量。
一个重要的结论是，NTC不能用于短路保护！
导热路径的等效热路径如图4所示：
等效热路径示意图

图4等效热路径示意图

可以得出两个结论：
1.由于将结连接到NTC的RthJNTC上的温度下降，热敏电阻TNTC的温度将低于结温TJunction。
2.由于同样的原因，NTC的温度将高于散热器上测得的温度。
从经验中知道，对于电力电子设备，散热器的温度和NTC的温度之间的差大约等于10K。
如果要计算无法直接测量的温度值，则必须知道导热路径上的Rth链的值。对于给定的模块，可以从数据表中获得相应的IGBT和二极管的RthJC和RthCH。

IGBT值
IGBT值

二极管值
二极管值

图5 Infineon电力电子模块数据表中的Rth值
根据上述值，可以使用以下公式来模拟每个点的温度：
NTC公式模拟每个点的温度
有关热建模和热计算的更多信息，请参考Infineon应用笔记AN2008-03热等效电路模型。
使用模拟方法测量NTC
此方法基于NTC作为分压器电路的一部分，如图6所示：
使用内部NTC的分压器
图6使用内部NTC的分压器

数据表中以两种不同的方式给出了NTC的热特性。 NTC的热特性可以通过分析拟合。其数学表达式为：
拟合NTC的热特性公式
其中：
B25 / 50和B25 / 80的值
对于较小的温度范围，数据手册还提供了B25 / 50和B25 / 80的值，以进行更精确的计算。
根据测得的电压UR，实际电阻R（θ）可以计算为：
实际电阻R
因此，可以得出实际温度的表达式：
实际温度表达公式

测量到的UR值后，微处理器可以使用一个简单的方程式求解，以获得测量到的温度值。如果仅需要最高温度的阈值信号，则使用以预定值触发的比较器就足够了。
分压器中R1的大小
R1的电阻应仔细选择。如果选择的值太小，则流经NTC的电流产生的功率损耗将加热NTC并改变测量值。另一方面，如果选择R1太大，则测量电压太小，这将降低测量精度。
为了最小化电流的影响，有必要分析NTC的热特性。 NTC的热导率为145K / W。如果允许温度的精度差为1K，则NTC内部的功率损耗不能超过Pmax = 6.9mW。假设要测量的温度为100°C，则NTC的电阻为R100 = 493Ω。
可以看出，当前最大值可以计算为：
当前最大计算公式
对于U1 = 5V电源电压和3mA电流限制，电阻R1为：
电阻R1

由于没有这样的标称电阻，因此可以选择910Ω的电阻，以使Imax = 3.56mA。在允许1K温度偏差的情况下，可以选择使电流I <4 mA的任何电阻。

数字测量NTC
除了分压的方法外，NTC电阻随温度的变化也可以用来影响R-C电路的时间常数。基本电路图如图7所示：
通过数字方法获得的温度的基本示意图
图7通过数字方法获得的温度的基本示意图

通过电阻器R11和R12设置比较器的阈值，可以更改比较器的输出。输出信号Uout用于触发晶体管Q1以使电容器放电。由于电容器的充电受NTC的电阻R（θ）控制，因此Uout是频率为fout = g（θ）的脉冲。
为了从Uout获得实际温度值，仅需要计算固定周期内的脉冲数。脉冲数和温度之间的对应关系可以通过使用解析表达式或通过查找表格来获得。两个校准点之间的值可以通过插值得出。

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