Bei der Auswahl eines IGBT-Temperatursensors muss zuerst feststehen, welche Stelle gemessen werden soll. Je nach Schutzfunktion, thermischem Modell oder Validierung am Umrichter-Prüfstand kann es um die aktive Silizium-Sperrschicht, den internen NTC, das Modulgehäuse, die Grundplatte oder den Kühlkörper gehen. Unter Last können sich die Temperaturen entlang des Wärmepfads deutlich unterscheiden.
Jeder Sensor misst die Temperatur an seinem Einbauort. Wer die Beziehung zwischen Sperrschicht-, Modul-, Grundplatten- und Kühlkörpertemperatur kennt, kann Sonden gezielter positionieren, Messdaten richtig einordnen und entscheiden, wo eine fluoreszenzbasierte faseroptische Punktmessung bei Leistungselektroniktests sinnvoll ist.
Wichtige Erkenntnisse
- Sperrschichttemperatur (Tj), interner NTC-Wert, Gehäuse- oder Grundplattentemperatur (Tc) und Kühlkörpertemperatur (Th) beschreiben verschiedene Punkte des Wärmepfads.
- Ein integrierter NTC sitzt auf dem keramischen Substrat im Modul, nicht auf der aktiven Chipoberfläche. Er reagiert langsamer auf schnelle elektrische Übergänge und misst die Sperrschichttemperatur nicht direkt.
- Außensonden auf Modulgehäuse, Grundplatte oder Sammelschiene messen die jeweilige Oberfläche am Kontaktpunkt. Für eine Schätzung von Tj aus einer äußeren Messung braucht es ein validiertes thermisches Modell und Verlustleistungsdaten.
- Fluoreszenzbasierte faseroptische Sonden führen kein elektrisches Sensorsignal über metallische Leitungen an der Messstelle. Sie liefern Temperaturdaten, wenn galvanische Trennung und Schaltstörungen den Einsatz konventioneller Sensoren erschweren.
Temperaturbegriffe im IGBT-Aufbau
Die im aktiven Silizium entstehende Wärme fließt durch Chip-Lot, Keramiksubstrat, Grundplattenlot, Kupfergrundplatte und Wärmeleitmaterial (TIM) in den Kühlkörper oder die Kühlplatte. Jede Schicht bringt Wärmewiderstand und Wärmekapazität mit sich; deshalb fällt die Temperatur entlang des Pfads schrittweise ab.
| Temperaturpunkt | Physische Position | Typisches Messverfahren | Direkt mit einer Oberflächensonde messbar? | Typische technische Aufgabe |
|---|---|---|---|---|
| Sperrschicht (Tj / Tvj) | Aktiver Bereich des Siliziumchips | TSEP-Schätzung, dynamisches thermisches Modell oder spezialisierte optische Messung in vorbereiteten Labormodulen | Nein | Prüfung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA), Power Cycling und Lebensdauerabschätzung |
| Modul-intern (NTC) | Keramiksubstrat im Modulgehäuse | Integrierter NTC- oder PTC-Thermistor | Nein, Auslesung über Hilfsanschlüsse | Übertemperaturschutz, Leistungsreduzierung und Regelungsrückmeldung |
| Grundplatte / Gehäuse (Tc) | Kupfergrundplatte unter dem Keramiksubstrat | Faseroptische Sonde oder Thermoelement in einer Nut der Kühlplatte | Ja, wenn mechanischer Zugang besteht | Prüfung des Wärmewiderstands und Referenz für ein thermisches Modell |
| Modulgehäuse | Äußere Kunststoff- oder Harzoberfläche | Oberflächenkontaktsonde oder Infrarotmessung | Ja | Vergleich von Erwärmungstrends zwischen Prüflingen |
| Kühlkörper (Th) | Oberfläche der Kühlplatte oder eine Bohrung im Kühlkörper | Pt100, Thermoelement oder faseroptische Sonde | Ja | Bewertung der Kühlung und der Wärmeleitmaterialschicht |
Die Tc-Angabe im Datenblatt bezeichnet einen festgelegten Punkt an der Unterseite der Grundplatte direkt unter dem Chip, nicht die äußere Kunststoffabdeckung. Kunststoff leitet Wärme schlecht. Eine Sonde oben auf dem Modulgehäuse zeigt daher einen niedrigeren Wert als die Grundplatte. In Prüfberichten sollte der Messpunkt eindeutig benannt werden, damit daraus keine falschen thermischen Berechnungen entstehen.
Warum unterscheiden sich Sperrschicht-, NTC- und Kühlkörpertemperatur?
Im stationären Betrieb hängt der Temperaturunterschied zwischen Silizium und Kühlmedium von der Verlustleistung und der Summe der Wärmewiderstände entlang des Pfads ab. Bei veränderlichen Betriebsbedingungen weichen Messwerte aus mehreren Gründen voneinander ab:
- Position des Substratsensors: Der integrierte NTC befindet sich neben den Chips auf dem Substrat, nicht auf dem Silizium. Die Wärme verteilt sich erst über Keramik und Grundplatte, bevor sie den Sensor erreicht.
- Thermische Verzögerung: Sperrschichttemperaturen ändern sich innerhalb von Millisekunden. Interne Thermistoren und externe Grundplatten reagieren über Zehntelsekunden bis mehrere Sekunden. Bei Lastsprüngen steigt Tj schneller als die NTC- oder Kühlkörperanzeige.
- Thermische Kopplung mehrerer Chips: In Halbbrücken-, Vierer- oder Sechsermodulen erzeugen IGBTs und Freilaufdioden je nach Strom, Modulationsgrad und Leistungsfaktor unterschiedliche Verluste. Ein einzelner NTC bildet einen regionalen Sammelwert ab, nicht zwingend den heißesten Chip.
IGBT-Temperaturmessverfahren im Vergleich
Bei der Verfahrenswahl sind Zugänglichkeit, elektrisches Potenzial, Störanfälligkeit und Prüfziel gemeinsam zu berücksichtigen.
| Verfahren | Messpunkt | Galvanische Trennung | EMV-Aspekte | Praktische Vorteile | Wesentliche Grenzen |
|---|---|---|---|---|---|
| Integrierter NTC | Substrat im Modul | Durch das keramische Substrat gegeben | Mittel; Signalführung liegt nahe der Gate-Verdrahtung | Im Modul integriert, keine zusätzliche Montage | Fester Ort; bildet schnelle Chip-Transienten nicht ab |
| Thermoelement | Grundplatte, Kühlkörper, Gehäuse oder Sammelschiene | Metallische Leitungen bieten keine inhärente Trennung | Sorgfältige Schirmung und Filterung nötig | Kleine Messstelle, geringe Hardwarekosten | Leitungen übertragen das Potenzial bis zum Messgerät |
| Pt100 / RTD | Kühlkörper, Kühlmittel oder Oberfläche | Nahe leitender Teile ist eine geeignete Trennung nötig | Abgeschirmte und korrekt geführte Leitungen | Gute Genauigkeit und Langzeitstabilität | Größere Bauform; wenig Platz unter der Grundplatte |
| Infrarotkamera | Sichtbare Oberfläche oder freigelegter Chip | Berührungslose optische Messung | Kamera außerhalb des Felds; keine Sensorleitung am Ziel | Flächige zweidimensionale Temperaturbilder | Freie Sicht erforderlich; abhängig vom Emissionsgrad |
| Fluoreszenz-Faseroptik | Nut der Grundplatte, Sammelschiene, Kühlkörper oder Gehäuse | Nichtleitender optischer Signalweg | Hohe Störfestigkeit des optischen Signalwegs gegenüber EMI | Kontaktmessung nahe Hochspannung möglich | Punktmessung; Außensonden messen Oberflächen |
| TSEP-Schätzung | Elektrische Eigenschaften des aktiven Chips | Messung über Leistungsanschlüsse des Moduls | Schnelle Abtastung während des Schaltens erforderlich | Virtuelle Sperrschichttemperatur bewertbar | Aufwendige Kalibrierung; während kontinuierlicher PWM schwierig |
Wann ist faseroptische Temperaturmessung am IGBT sinnvoll?
In einer störungsarmen Prüfstation, etwa an einem geerdeten Aluminium-Wasserblock bei Niederspannung, reichen Pt100 oder Thermoelement häufig aus. Faseroptische Messung wird relevant, wenn leitende Sensorleitungen Sicherheits- oder Störprobleme verursachen.
Messung an hohem Potenzial oder schwebenden Knoten
In Traktionsumrichtern, Mittelspannungsantrieben und Industrieumrichtern liegen Kühlkörper und Modulgrundplatten nicht immer auf Erdpotenzial. Ein Thermoelement an einem aktiven Wechselspannungsanschluss, einer Hochspannungs-Sammelschiene oder einem schwebenden Kühlkörper führt das Potenzial über die Leitung bis zum Datenerfassungssystem. Der nichtleitende optische Pfad trennt den Messpunkt elektrisch vom Auswertegerät. Weitere Hinweise zur galvanisch getrennten Temperaturmessung behandeln diese Randbedingungen.
Betrieb in schnell schaltenden PWM-Umgebungen
Hohe dv/dt-Flanken und schnelle Stromwechsel erzeugen elektromagnetische Störungen an Leistungsmodulen und Sammelschienen. Bei metallischen Sensorleitungen kann das Schaltfeld niederpegelige Thermoelement-Signale verfälschen. Eine optische Faser überträgt Licht statt elektrischer Spannung und ist entlang des optischen Messpfads weniger anfällig für elektrische Einkopplung.
Kompakte Montage an mehreren Messpunkten
Sonden mit etwa 2 bis 3 mm Durchmesser passen in schmale Nuten einer Kühlplatte, zwischen laminierte Sammelschienen oder neben Leistungsklemmen, sofern die erforderlichen Abstände eingehalten werden. Mehrere Sonden erfassen die Temperaturen verschiedener Bauteilpunkte gleichzeitig.
Faseroptische Sonden, integrierte NTCs und Wärmebildgebung kombinieren
Die Messwerkzeuge ergänzen sich, statt einander zu ersetzen:
- Mit dem integrierten NTC: Der NTC ist mit der Antriebsregelung verbunden und dient Schutzabschaltung und Leistungsreduzierung. Externe Sonden an Grundplatte und Leistungsanschlüssen zeigen bei Prüfstandversuchen, wie der thermische Zustand des Moduls mit der NTC-Rückmeldung über verschiedene Lastzyklen zusammenhängt.
- Mit der Infrarot-Thermografie: Wärmebildkameras zeigen die Temperaturverteilung zugänglicher Oberflächen. Sie benötigen freie Sicht und messen nicht im geschlossenen Aufbau oder unter einer Grundplatte. Faseroptische Sonden können dagegen verdeckte Kontaktstellen während längerer Dauerprüfungen kontinuierlich erfassen.
Geeignete Montageorte für IGBT-Temperatursonden
Der Einbauort bestimmt, welche Temperatur tatsächlich erfasst wird. Der mechanische Messpunkt sollte in den Prüfunterlagen dokumentiert sein:
- Nut in der Kühlplatte (Grundplattenmessung): Häufig wird die Faser durch eine schmale Nut geführt, sodass die Sondenspitze nahe der Grundplatte direkt unter den Chips liegt. Bei kontrollierter Position ergibt das eine Messung am definierten Grundplattenpunkt. Der Wärmekontakt sollte zwischen Prüfungen reproduzierbar sein.
- Im Kühlkörper: Eine Sacklochbohrung wenige Millimeter unter dem Modul misst die Temperatur des Kühlkörpermaterials. Der Vergleich mit einer Grundplattenmessung hilft, den Wärmewiderstand der Schnittstelle zu bewerten.
- Leistungsanschlüsse und Sammelschienen: Verschraubte Verbindungen im DC-Zwischenkreis können sich durch Kontaktwiderstand oder Welligkeitsstrom lokal erwärmen. Faseroptische Sonden eignen sich für Messungen an aktiven Leitern, wenn Sondenausführung, Isolationsniveau und Montage den Einsatzbedingungen entsprechen.
- Modulgehäuse: Eine Sonde auf dem äußeren Kunststoffgehäuse verfolgt die Erwärmung des Gehäuses. Wegen der isolierenden Kunststoffschicht lässt sich daraus nicht direkt auf den Zustand des Siliziums schließen.
INNO-Messsysteme für Leistungselektronik
INNO entwickelt fluoreszenzbasierte faseroptische Temperaturmesssysteme für Prüfstände der Leistungselektronik, Umrichterentwicklung und industrielle Anlagen.
Anregungslicht läuft durch die Faser zu einem temperaturempfindlichen Fluoreszenzmaterial an der Sondenspitze. Das Messgerät wertet die Abklingzeit des zurückkehrenden Signals aus und leitet daraus die Temperatur ab. Die tatsächliche Messleistung hängt von der verwendeten Sonde, Gerätekonfiguration und Kalibrierung ab.
Für Leistungselektroniktests sind unter anderem folgende Sonden- und Geräteparameter relevant:
- Temperaturbereich: −40 °C bis +260 °C, abhängig von der gewählten Sonde.
- Genauigkeit und Auflösung: ±0,5 °C bis ±1,0 °C und 0,1 °C Auflösung, je nach Konfiguration.
- Ansprechzeit: Unter 1 s bei Standardkonfigurationen; die Montage und der thermische Kontakt beeinflussen die installierte Reaktion.
- Bauform: Dielektrische Sonden mit 2 bis 3 mm Durchmesser; Faserlängen bis 20 m konfigurierbar.
Mehrere Sonden lassen sich an einen mehrkanaligen faseroptischen Temperaturmessumformer anschließen. Das System kann mit 1 bis 64 Kanälen, RS485-Modbus-RTU, optionalen Analogausgängen von 4–20 mA und Alarmrelais konfiguriert werden. Für umfangreichere Anlagen- und Schaltschrankkonzepte bietet die Lösung zur Temperaturüberwachung von Hochspannungsanlagen weitere Anhaltspunkte.
Temperaturmessung für Ihren Prüfstand konfigurieren
Für die Auswahl der Sonden, Kanalzahl und Geräteoptionen benötigt das INNO-Engineeringteam Angaben zu Ihrem Leistungselektronik-Prüfaufbau:
- Messort (Grundplattennut, Sammelschiene, Kühlkörper oder Gehäuse)
- Erwarteter Temperaturbereich
- Anzahl der Messpunkte
- Elektrisches Potenzial und Schaltumgebung
- Benötigte Schnittstelle (RS485 Modbus, Analogausgang 4–20 mA oder Relais)
Die Angaben können Sie über die Kontaktseite des INNO-Engineeringteams oder per E-Mail an info@innofj.com übermitteln.