La scelta di un sensore di temperatura per IGBT parte dal punto da misurare. A seconda che il progetto riguardi protezione, modellazione termica o validazione di un banco prova, può interessare la temperatura della giunzione in silicio, quella del termistore interno, del contenitore, della piastra di base o del dissipatore. In condizioni di carico questi valori possono differire lungo il percorso termico.
Ogni sensore misura la temperatura nella propria posizione di installazione. Distinguere giunzione, modulo, piastra di base e dissipatore aiuta a posizionare le sonde e interpretare i dati di prova.
Punti chiave
- Tj, lettura della NTC interna, Tc e temperatura del dissipatore descrivono punti fisici diversi.
- La NTC integrata si trova normalmente sul substrato ceramico vicino ai chip, non sulla superficie attiva del silicio. Non misura direttamente Tj e reagisce più lentamente ai transitori rapidi.
- Una sonda esterna misura la superficie che tocca. Per stimare Tj da una misura superficiale servono un modello termico calibrato e i dati sulle perdite.
- Una sonda a fibra ottica a fluorescenza evita un conduttore metallico nel punto di misura. È utile quando isolamento elettrico e disturbi di commutazione complicano i sensori convenzionali.
Le diverse temperature in un modulo IGBT
Il calore generato nel silicio attraversa la saldatura del die, il substrato ceramico, la saldatura della piastra, la piastra in rame e il materiale di interfaccia termica prima di raggiungere dissipatore o cold plate. Ogni strato aggiunge resistenza e capacità termica.
| Punto termico | Posizione fisica | Metodo tipico | Misurabile direttamente con sonda superficiale? | Obiettivo |
|---|---|---|---|---|
| Giunzione (Tj/Tvj) | Area attiva del die in silicio | Parametri elettrici sensibili alla temperatura, modello termico o sensore sul die in moduli di ricerca | No | Verifica limiti operativi, power cycling e stima della vita utile |
| Temperatura interna (NTC) | Substrato ceramico all’interno del package | Termistore NTC integrato | No; lettura tramite pin ausiliari | Protezione da sovratemperatura e derating della corrente |
| Piastra / case (Tc) | Piastra di rame sotto il substrato; Tc è il punto definito in scheda tecnica | Sonda in una scanalatura della piastra di raffreddamento o nel punto di riferimento | Sì, se il punto è accessibile | Verifica della resistenza termica |
| Involucro del modulo | Superficie esterna in plastica o resina | Sonda a contatto o termocamera | Sì | Confronto delle tendenze di riscaldamento |
| Dissipatore (Th) | Superficie o canale interno del dissipatore | PT100, termocoppia o sonda a fibra ottica | Sì | Valutazione del raffreddamento e dell’interfaccia termica |
La temperatura Tc indicata in scheda tecnica si riferisce a un punto definito sulla piastra, non alla superficie dell’involucro plastico. La plastica è isolante: una sonda sul telaio esterno può quindi leggere meno della piastra. Nei rapporti di prova va indicata la posizione esatta della sonda.
Perché giunzione, NTC e dissipatore indicano temperature diverse?
In regime stazionario la differenza tra chip e raffreddamento dipende dalle perdite e dalle resistenze termiche in serie. La NTC è separata dalla superficie attiva: il calore attraversa prima substrato e piastra. La giunzione può cambiare in millisecondi, mentre NTC, piastra e dissipatore rispondono più lentamente.
I moduli con più chip presentano anche differenze locali. IGBT e diodi hanno perdite diverse in funzione di corrente, modulazione e fattore di potenza. Una sola NTC rappresenta la zona di substrato vicina, non necessariamente il chip più caldo.
Confronto dei metodi di misura della temperatura IGBT
La scelta dipende dall’accesso meccanico, dal potenziale elettrico, dai disturbi e dall’obiettivo del test.
| Metodo | Punto misurato | Isolamento elettrico | Vantaggio | Limite principale |
|---|---|---|---|---|
| NTC integrata | Substrato interno | Dipende dalla progettazione del modulo | Già presente per controllo e protezione | Posizione fissa; non segue i transitori rapidi del chip |
| Termocoppia | Involucro, piastra, dissipatore o busbar | I conduttori metallici non sono isolati intrinsecamente | Giunto compatto e costo contenuto | I cavi possono portare potenziale e captare rumore |
| PT100 / RTD | Superficie, dissipatore o refrigerante | Può servire un ingresso isolato | Stabilità per misure ordinarie | Dimensioni e cablaggio possono limitare gli spazi |
| Termocamera IR | Superfici visibili | Misura senza contatto | Mappa più superfici contemporaneamente | Richiede linea visiva ed emissività nota |
| Fibra ottica a fluorescenza | Piastra, busbar, dissipatore o struttura | Percorso ottico non conduttivo | Misura puntuale vicino all’alta tensione, con elevata resistenza alle EMI | Misura il punto della sonda; ogni punto richiede una sonda |
| Stima TSEP | Caratteristiche elettriche del chip | Rilevata ai terminali di potenza | Stima della temperatura di giunzione | Richiede calibrazione e campionamento rapido |
Quando usare una sonda a fibra ottica per gli IGBT?
Su un cold plate collegato a terra, in un ambiente elettrico tranquillo, RTD o termocoppie possono essere sufficienti. La fibra ottica diventa utile quando i cavi conduttivi aumentano i rischi di sicurezza o i problemi di rumore.
Misure vicino a potenziali elevati o nodi flottanti
In inverter industriali, azionamenti in media tensione e convertitori di trazione, dissipatore e piastra possono essere flottanti. Una termocoppia collegata a un punto in tensione può portare il potenziale fino all’acquisizione dati. Il percorso ottico non conduttivo separa il punto dallo strumento; isolamento, distanze e montaggio devono comunque essere adatti all’applicazione. Approfondisci la misura della temperatura con isolamento elettrico.
Commutazione PWM rapida
Transizioni ad alto dv/dt e commutazioni di corrente generano disturbi intorno a moduli e busbar. La fibra trasporta luce, non una tensione di termocoppia, e il percorso di misura è meno sensibile alle interferenze elettriche. Alimentazione, comunicazione ed elettronica dello strumento richiedono comunque una corretta progettazione EMC.
Più punti in spazi compatti
Sonde da 2–3 mm possono entrare in scanalature strette o vicino ai terminali, se geometria e distanze di sicurezza lo consentono. Ogni sonda misura un punto definito; per acquisizioni simultanee occorrono sonde e canali dedicati.
Coordinare sonda a fibra ottica, NTC e termografia
Questi strumenti rispondono a esigenze diverse. La NTC resta collegata al controllo per protezione e derating. Sul banco prova, sonde esterne possono confrontare involucro, piastra o connessioni con la risposta della NTC. La termocamera visualizza le superfici accessibili; una sonda a contatto registra punti nascosti o non visibili.
Dove installare le sonde in un sistema IGBT
- Scanalatura della piastra di raffreddamento: posizionare la punta vicino al punto della piastra da valutare e mantenere costante il contatto tra le prove.
- Interno del dissipatore: un foro cieco vicino al modulo misura il dissipatore; il confronto con la piastra aiuta a valutare l’interfaccia termica.
- Terminali e busbar: misurare una connessione bullonata se struttura, isolamento e montaggio della sonda sono adatti al potenziale.
- Involucro: seguire il riscaldamento esterno, senza interpretarlo come temperatura del silicio o Tc.
Soluzioni INNO per l’elettronica di potenza
INNO utilizza la misura puntuale della temperatura a fibra ottica basata sulla fluorescenza. La luce di eccitazione raggiunge il materiale fluorescente sulla punta; lo strumento analizza il decadimento della luce di ritorno e lo converte nella temperatura di quel punto. È una misura puntuale, non DTS: la fibra non misura lungo tutta la sua lunghezza e la sonda non individua automaticamente punti caldi sconosciuti.
A seconda della configurazione di sonda e strumento, i parametri disponibili includono una gamma da −40 a +260 °C, accuratezza da ±0,5 a ±1 °C, risoluzione di 0,1 °C, risposta inferiore a 1 s nelle configurazioni standard, diametro della sonda di 2–3 mm e fibra configurabile fino a 20 m. Verifica i valori della configurazione selezionata.
Più sonde possono collegarsi a uno strumento multicanale. In base al modello sono disponibili RS485/Modbus RTU, uscite analogiche 4–20 mA e relè di allarme. Per configurare il banco, indica tipo di modulo, punti di misura, intervallo termico, potenziale, numero di canali e interfaccia DAQ/PLC. Per impianti più ampi, consulta la soluzione INNO di monitoraggio della temperatura delle apparecchiature ad alta tensione.
Preparare il monitoraggio termico del banco prova
Per valutare sonde, canali e interfaccia, invia al team INNO:
- posizione fisica di ciascun punto;
- intervallo di temperatura previsto;
- numero di punti indipendenti;
- potenziale elettrico e ambiente di commutazione;
- interfaccia richiesta, ad esempio RS485/Modbus, 4–20 mA o relè.
Descrivi il tuo sistema al team tecnico INNO.