Bij de keuze van een temperatuursensor voor een IGBT moet eerst duidelijk zijn welk punt u wilt meten. Voor beveiliging, thermische modellering of validatie op een testbank kan het gaan om de siliciumovergang, de interne thermistor, de modulebehuizing, de bodemplaat of het koellichaam. Onder belasting lopen de temperaturen op deze thermische route uiteen.
Een sensor meet alleen de temperatuur op de plaats waar hij is gemonteerd. Het onderscheid tussen junctie, module, bodemplaat en koellichaam helpt bij de plaatsing van probes en de interpretatie van testgegevens.
Belangrijkste punten
- Junctietemperatuur (Tj), de interne NTC-waarde, case-/bodemplaattemperatuur (Tc) en koellichaamtemperatuur (Th) horen bij verschillende fysieke punten.
- De ingebouwde NTC zit doorgaans op het keramische substraat bij de chips, niet op het actieve siliciumoppervlak. De NTC meet Tj niet rechtstreeks en reageert trager op snelle transiënten.
- Een externe probe meet het oppervlak waarmee hij contact maakt. Een schatting van Tj op basis van een oppervlaktemeting vereist een gekalibreerd thermisch model en verliesgegevens.
- Een fluorescerende glasvezelprobe brengt geen metalen sensordraad naar het meetpunt. Dit is nuttig wanneer elektrische isolatie en schakelruis conventionele sensoren lastig maken.
Temperatuurpunten in een IGBT-module
Warmte uit het actieve silicium gaat via de die-attach, het keramische substraat, de soldeerlaag van de bodemplaat, de koperen bodemplaat en het thermische interfacemateriaal naar het koellichaam of de koude plaat. Elke laag voegt thermische weerstand en capaciteit toe.
| Temperatuurpunt | Fysieke locatie | Gebruikelijke meetmethode | Rechtstreeks met een oppervlaktesensor te meten? | Doel |
|---|---|---|---|---|
| Junctie (Tj/Tvj) | Actieve zone van de siliciumdie | Temperatuurgevoelige elektrische parameters, thermisch model of speciale sensor in een testmodule | Nee | Bedrijfslimieten, power cycling en levensduurinschatting |
| Module intern (NTC) | Keramisch substraat in de behuizing | Geïntegreerde NTC-thermistor | Nee; uitlezing via hulpcontacten | Overtemperatuurbeveiliging en stroomderating |
| Bodemplaat / case (Tc) | Koperen plaat onder het substraat; Tc is een gedefinieerd datapunt | Probe in een groef van de koelplaat of op het referentiepunt | Ja, wanneer toegankelijk | Thermische weerstand controleren |
| Modulebehuizing | Buitenoppervlak van kunststof of hars | Contactprobe of infraroodcamera | Ja | Opwarmtrends van componenten vergelijken |
| Koellichaam (Th) | Oppervlak of koelkanaal | PT100, thermokoppel of glasvezelprobe | Ja | Koeling en thermische interface beoordelen |
Tc in een datasheet verwijst naar een gedefinieerd meetpunt op de bodemplaat, niet naar de kunststof behuizing. Kunststof isoleert warmte, waardoor een probe op het buitenframe lager kan meten. Noteer de exacte positie in het testrapport.
Waarom verschillen junctie-, NTC- en koellichaamtemperaturen?
In stationaire toestand hangen de verschillen tussen chip en koeling af van het vermogensverlies en de thermische weerstanden in het pad. De NTC ligt van het actieve oppervlak af; warmte passeert eerst het substraat en de bodemplaat. De junctie kan binnen milliseconden veranderen, terwijl NTC, bodemplaat en koellichaam trager reageren.
Ook modules met meerdere chips hebben lokale temperatuurverschillen. IGBT’s en diodes dissiperen verschillende vermogens afhankelijk van stroom, modulatie en arbeidsfactor. Eén NTC vertegenwoordigt de omgeving van de sensor, niet noodzakelijk de heetste chip.
Meetmethoden voor IGBT-temperatuur vergelijken
Kies op basis van mechanische toegankelijkheid, elektrisch potentiaal, storing en testdoel.
| Methode | Meetpunt | Elektrische isolatie | Voordeel | Belangrijkste beperking |
|---|---|---|---|---|
| Ingebouwde NTC | Intern substraat | Afhankelijk van het moduleontwerp | Al aanwezig voor regeling en beveiliging | Vaste plek; volgt snelle chiptransiënten niet |
| Thermokoppel | Behuizing, bodemplaat, koellichaam of rail | Metalen draden isoleren niet vanzelf | Compact meetpunt en lage materiaalkosten | Draden kunnen potentiaal geleiden en ruis oppikken |
| PT100 / RTD | Oppervlak, koellichaam of koelmiddel | Geïsoleerde ingang kan nodig zijn | Stabiel voor gangbare metingen | Element en bedrading vragen ruimte |
| Infraroodcamera | Zichtbare oppervlakken | Contactloos | Meerdere oppervlakken tegelijk in beeld | Direct zicht en bekende emissiviteit nodig |
| Fluorescerende glasvezel | Bodemplaat, rail, koellichaam of testopstelling | Niet-geleidend optisch pad | Puntmeting nabij hoge spanning met hoge weerstand tegen EMI | Meet de plek van de probe; ieder punt vraagt een probe |
| TSEP-schatting | Elektrische eigenschappen van de chip | Gemeten via vermogensaansluitingen | Schat de junctietemperatuur | Kalibratie en snelle bemonstering nodig |
Wanneer is een glasvezelprobe geschikt voor IGBT-metingen?
Op een geaarde koelplaat in een rustige elektrische omgeving kan een RTD of thermokoppel volstaan. Glasvezelmeting is relevant wanneer geleidende draden veiligheids- of signaalproblemen veroorzaken.
Meten nabij hoge of zwevende potentialen
Bij middenspanningsaandrijvingen, industriële omvormers en tractieconverters kunnen koellichaam en bodemplaat zwevend zijn. De metalen draad van een thermokoppel op een bekrachtigd punt kan potentiaal naar de data-acquisitie voeren. Het niet-geleidende optische pad scheidt meetpunt en instrument; probeontwerp, isolatieafstanden en montage moeten wel bij de toepassing passen. Lees ook over temperatuurmeting met elektrische isolatie.
Snelle PWM-schakeling
Hoge dv/dt en snelle stroomschakeling veroorzaken elektromagnetische storing rond modules en rails. Glasvezel transporteert licht in plaats van een thermokoppelspanning en is langs het meetpad minder gevoelig voor elektrische interferentie. Voeding, communicatie en elektronica van de meetinstrumenten vereisen nog steeds passende EMC-maatregelen.
Meerdere punten in beperkte ruimte
Probes met een diameter van 2–3 mm passen in smalle groeven of nabij aansluitingen wanneer de mechanische opbouw en vrije afstanden dit toelaten. Eén probe meet één vast punt. Voor gelijktijdige bewaking zijn overeenkomstige probes en kanalen nodig.
Glasvezelprobes, NTC en thermografie combineren
Deze methoden beantwoorden verschillende vragen. Laat de interne NTC aangesloten op de regelaar voor beveiliging en derating. Gebruik tijdens testbankmetingen externe probes om de behuizing, bodemplaat of aansluitingen met de NTC-respons te vergelijken. Een infraroodcamera brengt zichtbare oppervlakken in kaart; een contactprobe registreert een verborgen punt buiten het camerabeeld.
Waar monteert u probes in een IGBT-opstelling?
- Groef in de koelplaat: plaats de tip dicht bij het te beoordelen punt op de bodemplaat en houd het thermische contact tussen tests gelijk.
- In het koellichaam: een blind gat nabij de module meet het koellichaam; vergelijk dit met de bodemplaat om de thermische interface te beoordelen.
- Vermogensaansluitingen en rails: meet een boutverbinding wanneer probeconstructie, isolatie en montage geschikt zijn voor het potentiaal.
- Modulebehuizing: volg de buitentemperatuurtrend, maar gebruik die niet als silicium- of Tc-meting.
INNO-oplossingen voor vermogenselektronica
INNO gebruikt fluorescerende glasvezeltemperatuurmeting op vaste punten. Excitatielicht bereikt het fluorescerende materiaal aan de probetip. Het instrument analyseert de vervaltijd van het terugkerende licht en rekent die om naar de temperatuur op die tip. Dit is puntmeting, geen DTS: de hele vezellengte wordt niet gemeten en de probe zoekt niet automatisch onbekende hotspots.
Afhankelijk van de probe- en instrumentconfiguratie omvatten de waarden onder meer een bereik van −40 tot +260 °C, nauwkeurigheid van ±0,5 tot ±1 °C, resolutie van 0,1 °C, respons onder 1 seconde bij standaardconfiguraties, een probediameter van 2–3 mm en een configureerbare vezellengte tot 20 m. Controleer de specificaties van de gekozen configuratie.
Meerdere probes kunnen op een meerkanaals instrument worden aangesloten. Afhankelijk van het model zijn RS485/Modbus RTU, analoge uitgangen van 4–20 mA en alarmrelais beschikbaar. Deel voor configuratieadvies het moduletype, de meetpunten, het temperatuurbereik, het potentiaal, het aantal kanalen en de DAQ/PLC-interface. Bekijk ook de oplossing voor temperatuurbewaking van hoogspanningsapparatuur.
Temperatuurbewaking op uw testbank voorbereiden
Stuur het INNO-engineeringteam de volgende gegevens om probes, kanalen en interfaces af te stemmen:
- de fysieke locatie van elk meetpunt;
- het verwachte temperatuurbereik;
- het aantal onafhankelijke meetpunten;
- het elektrische potentiaal en de schakelomgeving;
- de benodigde interface, zoals RS485/Modbus, 4–20 mA of relais.
Bespreek uw opstelling met het INNO-engineeringteam.