芯片的溫度是電力電子器件運行時最重要的參數之一。測量芯片溫度的一個可行的辦法是測量底板溫度作為基礎數據，然后通過一個熱模型來計算結溫。在英飛凌公司的很多功率模塊中，熱敏電阻，也稱作NTC，作為一個溫度傳感器集成在模塊內部，用來方便地測量溫度。

本文詳細介紹說明了有關的隔離措施以及如何使用NTC測量溫度值。

內部設計

NTC安裝在硅芯片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據模塊的不同，NTC或者與硅芯片安裝在同一塊DCB上，或者安裝在單獨的基板上。

圖1 (a) EconoDUALTM 3內部的NTC安裝在靠近IGBT 的獨立的DCB上

圖1(b)沒有底板的模塊NTC，安裝在靠近硅芯片的地方

絕緣隔離措施

不管NTC處于什么位置，都被模塊內部填充的硅膠所覆蓋，可以滿足常規工作條件下的隔離需求。如果失效，高壓側與NTC之間將產生導電通路，導電通路路徑如圖2所示:

圖2 擊穿失效時的導電通路路徑

這個導電通路可以由故障發生時連接線改變位置連接而成，或者擊穿時的電弧產生的等離子路徑形成。 出于這個原因，內部NTC的絕緣只是滿足功能性的絕緣，如果需要加強隔離，需要加入外部隔離屏障。可行的方法有：

- 把高壓作為設計控制電路的參考電位，并在人可接觸部分和控制電路間加入絕緣隔離屏障層。- 使用帶有內部隔離的運放來檢測NTC兩端的電壓。- 使用隔離器件如磁或光耦將NTC的電壓轉化為能夠傳輸到控制電路的數字信號。

NTC的散熱情況

內置NTC的模塊內部的熱量流動路徑如圖3所示

圖3 電力電子模塊內部的熱量流動

芯片產生的大部分熱量通過散熱片直接散到環境中。除此之外，還有一部分熱量經過DCB基板和底板傳導到NTC所在的位置。 由于熱量無法瞬間流動，NTC只適合測量模塊穩態工作時的溫度。因為相關的時間常數太小，一些瞬時現象，比如短路時產生的瞬時熱量就沒辦法監測到。

一個重要的結論，NTC不能用于短路保護!

熱傳導路徑的等效熱路圖如圖4所示：

圖4 等效熱路原理圖

可以得出兩個結論:

1.由于連接結到NTC的路徑RthJNTC上有溫度的降低，熱敏電阻的溫度TNTC會比結溫TJunction低。

2.由于同樣的原因，NTC的溫度會比散熱片上測量的溫度高。

由經驗可知，對于電力電子設備，散熱片的溫度和NTC的溫度的差值約等于10K。

如果要計算無法直接測量到的溫度值，則必須知道熱傳導路徑上Rth-chain的值。對于一個給定的模塊，IGBT和二極管的相應的RthJC 和RthCH可以從數據手冊得到。

IGBT值

二極管值

圖5 英飛凌電力電子模塊數據手冊中的Rth值

根據以上數值可以使用以下公式模擬計算各點溫度:

如欲了解有關熱量建模和熱量計算的更多信息，請查閱英飛凌應用手冊AN2008-03 Thermal equivalent circuit models（熱等效電路模型）。

使用模擬方法測量NTC

這一方法是基于把NTC作為分壓電路的一部分來實現的，如圖6所示:

圖6 利用內部NTC構成的分壓器

數據手冊中用兩種不同方式給出了NTC的熱特性。可以用解析方法擬合NTC的熱特性圖。其數學表達式為：

其中:

對于一個較小范圍內的溫度，為了更精確的計算，數據手冊還提供了B25/50和B25/80的值。

由測量得到的電壓UR，則實際電阻R(?) 可以計算為：

從而可推導出實際溫度的表達式：

根據測量得到的UR值，使用一個微處理器簡單求解這個等式就可以得到待測溫度值。如果只需最大溫度的一個閾值信號，則使用一個在預定值觸發的比較器就足夠了。

分壓器中R1的大小

應當認真選擇R1的阻值。如果選得太小，流過NTC的電流產生的功率損耗會加熱NTC從而改變測量結果。另一方面，如果R1選擇得太大，測得的電壓太小，從而會降低測量精度。

為了將電流的影響降到最低，需要對NTC熱特性進行分析。NTC的熱導率為145K/W。 如果允許溫度有1K的精度差，那么NTC內部的功率損耗不能超過Pmax=6.9mW。假設待測溫度值為100°C，NTC的阻值為R100=493Ω。

由此可知，電流最大值可以計算為：

對于U1=5V的供電電壓和3mA的電流限定值，電阻R1為：

由于沒有這樣的標稱電阻，因此可以選擇910Ω的阻值，使得Imax=3.56mA；在允許1K溫度偏差的情況下，可以選擇任何使得電流I<4mA的電阻。

使用數字方法測量NTC

除了用分壓電路的方法，NTC的阻值隨溫度的變化也可用于影響R-C電路的時間常數，基本電路圖如圖7所示：

圖7 采用數字方法獲得的溫度的基本原理圖

通過電阻R11和R12設置比較器的閾值來改變比較器的輸出。輸出信號Uout 用于觸發晶體管 Q1來使電容放電。 由于電容的充電是受NTC的電阻R(?)控制的，Uout是一個頻率為 fout= g(?)的脈沖。

為了從Uout得到實際的溫度值，只需要計算固定周期內的脈沖數就可以了。脈沖數與溫度的之間的對應關系，可以用解析表達式或用查表方式獲得，對于兩個標定點之間的數值可以由插值方法得出。