用NTC為功率模塊做溫控效果如何？這個免費仿真工具，讓你一目了然

溫度控制是MOSFET 或IGBT 功率模塊有效工作的關鍵因素之一。儘管某些MOSFET 配有內部溫度傳感器(體二極管)，但其他方法也可以用來監控溫度。半導體矽PTC 熱敏電阻可以很好進行電流控制，或鉑基或鈮基(RTD)電阻溫度檢測器可以用較低阻值，達到更高的檢測線性度。無論傳感器採用表面貼裝器件、引線鍵合裸片還是燒結裸片，NTC 熱敏電阻仍是靈敏度優異，用途廣泛的溫度傳感器。只要設計得當，可確保模塊正確降額，並最終在過熱或外部溫度過高的情況下關斷模塊。

本文以鍵合NTC 裸片為重點，採用模擬電路仿真的方法說明功率模塊降額和關斷基本原理。為什麼用模擬方式? 模擬是簡化並以可視方式說明不同現象的理想方法，也適用於開發直觀的應用。最後一個原因則是：我們僅用免費軟件(LTspice) 開發仿真，而其他設計工具則用於更加複雜的設計。

1.電路圖設計

現在，我們來看圖1所示LTspice 設計，這是一個簡單的升壓轉換器設計。不過，由於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(實際情況下，設計人員需要仔細將Z _th 模型定義為Cauer 或Foster 模型)

轉換器工作期間，熱通量形成熱點(本例中，節點 T _syst 產生電壓，需要控制溫度)。這個溫度輸入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( V _saw ) 進行比較。最終輸出 V _sw 是加在IGBT 柵極的脈衝信號。R _lim 阻值定義溫度閾值以下，我們在IGBT 柵極加100 % 滿佔空比脈衝。過熱時—IGBT 和二極管產生熱量—加上環境溫度(熱電路節點T _amb 電壓)，佔空比減小，降壓轉換器輸出/輸入比( V _out / V _cc ) 下降。於是，熱量減小，溫度開始恢復穩定。高於一定溫度極限時，這個比值必須減小到1。

為在合理時間內完成仿真，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，我們希望很短時間內看到效果。

2.仿真結果

以下是仿真結果：每個圖中顯示的結果含或不含溫度降額(為取消溫度控制，R _lim 取值非常低)。

如圖2所示，升壓轉換器在最初20ms 內通常出現振盪，未優化的表現。溫度 T _syst (圖4 ) 開始升高，然後環境溫度升高，當 T _syst 達到90°C 時，V _out / V _cc 開始降額。環境溫度每升高一點，佔空比下降一點，直到升壓轉換器完全失效。110°C 時，降額達到最大值。

沒有溫度保護，T _syst 可達到160°C 至170°C (圖4 )。在實際功率模塊中，裸片峰值溫度可達到200°C或更高。

電壓 V _sense、V _ntc 和 V _lim 如圖3所示。圖5-圖6顯示不同時間佔空比變化。

當然，所有閾值都是可調的，並且可以相應調整開關閾值。

進行更複雜的仿真時，我們還可以重建全橋IGBT 模塊(如圖7所示)。這個電路電感負載產生50Hz 正弦電流，IGBT 開關頻率為30kHz。柵極驅動器仿真電路125°C 以下保持恆定頻率，並降低佔空比，以減輕IGBT 高於這一溫度的損耗。

從圖8中，我們可以看到IGBT 開關產生的總熱功率(以W 表示I(V6))，以及隨時間升高的溫度(以攝氏度表示V(Tsyst))。

圖8（下圖）顯示生成的電流。

總結

無需贅述，調整調製參數可降低溫度隨時間升高(上圖8的紅色曲線)：縮短開關佔空時間可以減少熱量的產生，但也會造成正弦信號損失。

這裡我們不再詳細介紹，但希望通過提供的示例說明，使用NTC 熱敏電阻進行LTspice 電路仿真具有更深遠意義，可以幫助MOSFET / IGBT 模塊設計工程師更為直觀地開發電路，並幫助他們通過減小熱量提供電路保護。

關於文中提到的仿真模型，歡迎掃描二維碼獲取。