- A temperatura de um IGBT pode ser a temperatura de junção do silício (Tj), a leitura do NTC integrado, a temperatura da carcaça do módulo, da placa-base ou do dissipador. São pontos diferentes no caminho térmico.
- Uma sonda externa mede a temperatura no local onde foi instalada. Uma sonda na carcaça ou no dissipador não mede diretamente a temperatura de junção.
- O NTC integrado costuma ficar no substrato cerâmico, próximo aos chips. Ele ajuda na proteção e no controle, mas reage mais lentamente que a junção quando a carga muda rápido.
- A sonda fluorescente de fibra óptica oferece um caminho de medição não condutivo e isolamento elétrico. Cada sonda mede um ponto definido; vários pontos exigem sondas e canais independentes.
Quais temperaturas são medidas em um módulo IGBT?
O calor gerado no silício ativo atravessa a solda do chip, o substrato cerâmico, a placa-base e o material de interface térmica até chegar ao dissipador ou à placa fria. Cada camada acrescenta resistência e capacidade térmica, por isso a temperatura varia ao longo desse caminho.
| Ponto térmico | Localização física | Método comum | Objetivo principal |
|---|---|---|---|
| Junção (Tj/Tvj) | Região ativa do chip | Parâmetros elétricos sensíveis à temperatura (TSEP) ou modelo térmico | Verificar área segura de operação, ciclos de potência e vida útil |
| NTC interno | Substrato cerâmico dentro do módulo | Termistor NTC ou PTC integrado | Proteção contra sobretemperatura e redução de corrente |
| Carcaça do módulo | Superfície externa da carcaça | Termopar, RTD, câmera infravermelha ou sonda de fibra óptica | Comparar tendências de aquecimento entre dispositivos |
| Placa-base / ponto Tc | Placa de cobre abaixo do substrato | Sonda em uma ranhura da placa fria ou em ponto acessível | Avaliar o resfriamento e o modelo térmico |
| Dissipador (Th) | Superfície ou furo no dissipador | PT100, termopar ou sonda de fibra óptica | Avaliar o resfriamento e a interface térmica |
O Tc de uma folha de dados se refere a um ponto definido da placa-base sob o chip, e não à cobertura plástica do módulo. Registre a posição exata do sensor no relatório: carcaça, NTC, placa-base e dissipador são pontos de medição diferentes.
Por que as temperaturas da junção, do NTC e do dissipador diferem?
Em regime permanente, a diferença entre a junção e o fluido refrigerante depende das perdas de potência e da soma das resistências térmicas do caminho. O NTC representa a temperatura do substrato em sua posição, não necessariamente a região mais quente do chip. Em mudanças rápidas de carga, a junção aquece antes do NTC, da placa-base e do dissipador.
- Posição do NTC: fica no substrato cerâmico, ao lado dos chips, e não na superfície ativa do silício.
- Atraso térmico: sensores externos respondem conforme a construção, o contato térmico e a montagem.
- Vários chips: IGBTs e diodos podem ter perdas diferentes. Um NTC não representa sempre o chip mais quente.
Estimar Tj a partir de uma leitura externa requer um modelo térmico validado, dados de perdas e parâmetros do módulo específico. Não trate a temperatura da carcaça ou do dissipador como temperatura de junção.
Comparação de métodos para medir a temperatura de IGBT
A escolha depende do acesso ao ponto, do potencial elétrico, do ruído eletromagnético e do objetivo do ensaio.
| Método | O que mede | Isolamento e ruído | Principal limitação |
|---|---|---|---|
| NTC integrado | Temperatura do substrato dentro do módulo | Integrado conforme o projeto do módulo | Posição fixa; não acompanha transientes rápidos da junção |
| Termopar | Ponto de contato na carcaça, placa-base ou dissipador | Cabos metálicos exigem atenção ao isolamento e ao roteamento | Os condutores podem levar potencial e captar ruído |
| PT100 / RTD | Superfície, dissipador, ar ou fluido refrigerante | Precisa de entrada de medição e cabeamento adequados | Dimensões e cabos limitam a instalação em espaços estreitos |
| Câmera termográfica | Superfícies visíveis | Medição sem contato | Exige linha de visão; depende da emissividade |
| Sonda fluorescente de fibra óptica | Um ponto definido na ponta da sonda | Caminho óptico não condutivo e alta resistência a EMI no trajeto de medição | Medição pontual; a posição deve ser planejada |
| TSEP / modelo térmico | Estimativa da temperatura de junção | Exige medições elétricas e calibração | Depende do modelo, das perdas e das condições transitórias |
Quando a fibra óptica é útil em testes de IGBT?
Em uma placa fria aterrada e com pouco ruído, um termopar ou RTD convencional pode atender ao objetivo. A medição por fibra óptica é útil quando cabos condutivos dificultam o isolamento elétrico ou a estabilidade da leitura.
Pontos com alta tensão ou potencial flutuante
O dissipador ou a placa do módulo nem sempre estão aterrados. Um cabo metálico ligado a um ponto energizado pode levar esse potencial até o equipamento de aquisição de dados. A fibra óptica não conduz eletricidade e permite separar o instrumento do ponto medido. O artigo sobre medição de temperatura com isolamento elétrico detalha esses requisitos.
Comutação PWM rápida
Transições de alta dv/dt e a comutação rápida de corrente podem perturbar sinais de sensores com cabos metálicos. A fibra transmite um sinal óptico, tornando o caminho de medição menos suscetível ao acoplamento elétrico. A fonte de alimentação e os cabos de comunicação do instrumento ainda precisam de um projeto EMC adequado.
Instalação compacta em vários pontos
Sondas pequenas podem ser instaladas em ranhuras da placa fria, perto de barramentos CC ou em superfícies acessíveis do módulo. Várias sondas registram temperaturas independentes durante o mesmo ciclo de teste. Associe cada canal à sua localização real.
Como combinar NTC, sondas de fibra e termografia
Essas ferramentas se complementam. O NTC integrado pode continuar conectado ao controlador para proteção e redução de potência. Sondas externas na placa-base, no barramento ou no dissipador ajudam a descrever as temperaturas do equipamento de teste. A câmera termográfica mostra várias superfícies visíveis de uma vez, mas não mede atrás de uma cobertura nem dentro de um canal de refrigeração fechado.
Onde instalar uma sonda de temperatura em um conjunto IGBT?
- Ranhura da placa fria: mede um ponto local próximo à placa-base. Mantenha o contato térmico consistente entre os ensaios.
- Furo no dissipador: mede a temperatura do corpo do dissipador; compare com a placa-base para avaliar a transferência pela camada TIM.
- Barramento ou terminal: acompanha o aquecimento da conexão quando a sonda e sua fixação são adequadas à tensão e ao ambiente.
- Carcaça do módulo: registra tendências de aquecimento da superfície, não a temperatura interna do silício.
Documente o ponto, a fixação, o nome do canal e as condições de operação. A sonda mede a temperatura em sua ponta, não ao longo de toda a fibra.
Medição fluorescente por fibra óptica INNO para eletrônica de potência
No sistema INNO, a luz de excitação percorre a fibra até um material fluorescente na ponta da sonda. O instrumento analisa o tempo de decaimento da fluorescência recebida e o converte em temperatura naquele ponto com base na calibração. É uma medição pontual, não distribuída ao longo da fibra.
Os valores típicos variam conforme a sonda e a configuração do instrumento:
- Faixa de temperatura de −40 °C a +260 °C.
- Precisão de ±0,5 °C a ±1 °C e resolução de 0,1 °C.
- Tempo de resposta inferior a 1 s em configurações padrão; a montagem e o contato térmico influenciam o resultado.
- Diâmetro de sonda de aproximadamente 2–3 mm; comprimento da fibra definido pelo percurso de instalação.
- Instrumentos multicanais podem ser configurados com RS485 / Modbus RTU, saídas analógicas e relés, conforme o modelo.
Para vários pontos, dimensione os canais pelo número de sondas independentes e registre o mapa dos canais. O artigo sobre monitoramento multicanal de temperatura em bancadas de teste apresenta orientações para esse planejamento.
Planeje a medição de temperatura na bancada de teste IGBT
Para definir a configuração, informe o tipo do módulo, os pontos de medição, a faixa de temperatura, o número de pontos, o potencial elétrico, as condições de comutação, o espaço para a sonda, o trajeto da fibra e a interface DAQ, PLC ou SCADA necessária.