- Nhiệt độ IGBT có thể là nhiệt độ mối nối silicon (Tj), giá trị của điện trở nhiệt NTC tích hợp, nhiệt độ vỏ mô-đun, đế đáy hoặc bộ tản nhiệt. Đây là các vị trí khác nhau trên đường truyền nhiệt.
- Đầu dò bên ngoài chỉ đo nhiệt độ tại vị trí được lắp. Đầu dò gắn trên vỏ hoặc bộ tản nhiệt không đo trực tiếp nhiệt độ mối nối.
- NTC tích hợp thường nằm trên đế gốm gần chip. Nó hữu ích cho bảo vệ và điều khiển, nhưng phản hồi chậm hơn mối nối trong các biến thiên tải nhanh.
- Cảm biến sợi quang huỳnh quang tạo đường đo không dẫn điện và cách ly điện. Một đầu dò đo một điểm đã xác định; muốn giám sát nhiều điểm cần nhiều đầu dò và kênh tương ứng.
Các vị trí nhiệt độ trong mô-đun IGBT
Nhiệt sinh ra trong silicon hoạt động truyền qua lớp hàn gắn chip, đế gốm, đế đáy và vật liệu dẫn nhiệt đến bộ tản nhiệt hoặc tấm làm mát. Mỗi lớp có điện trở và quán tính nhiệt riêng, vì vậy nhiệt độ thay đổi dọc theo đường truyền này.
| Vị trí đo | Vị trí vật lý | Phương pháp thường dùng | Mục đích chính |
|---|---|---|---|
| Mối nối (Tj/Tvj) | Vùng hoạt động của chip | Tham số điện nhạy nhiệt (TSEP) hoặc mô hình nhiệt | Đánh giá vùng hoạt động an toàn, chu kỳ công suất và tuổi thọ |
| NTC bên trong | Đế gốm trong mô-đun | Nhiệt điện trở NTC hoặc PTC tích hợp | Bảo vệ quá nhiệt và giảm định mức dòng điện |
| Vỏ mô-đun | Bề mặt ngoài của vỏ | Cặp nhiệt điện, RTD, camera hồng ngoại hoặc đầu dò sợi quang | So sánh xu hướng gia nhiệt giữa các thiết bị |
| Đế đáy / điểm Tc | Đế đồng bên dưới lớp gốm | Đầu dò đặt trong rãnh tấm làm mát hoặc vị trí tiếp cận được | Đánh giá hệ thống làm mát và mô hình nhiệt |
| Bộ tản nhiệt (Th) | Bề mặt hoặc lỗ khoan trong bộ tản nhiệt | PT100, cặp nhiệt điện hoặc đầu dò sợi quang | Đánh giá làm mát và lớp vật liệu giao diện nhiệt |
Nhiệt độ vỏ Tc trong datasheet thường chỉ một điểm quy định trên đế đáy dưới chip, không phải vỏ nhựa bên ngoài. Báo cáo thử nghiệm cần ghi rõ vị trí lắp cảm biến vì vỏ, NTC, đế đáy và bộ tản nhiệt không phải là các điểm đo tương đương.
Vì sao nhiệt độ mối nối, NTC và bộ tản nhiệt khác nhau?
Ở trạng thái ổn định, chênh lệch giữa mối nối và môi chất làm mát phụ thuộc vào tổn hao công suất và tổng điện trở nhiệt trên đường truyền. NTC phản ánh nhiệt độ của đế gốm tại vị trí lắp, không nhất thiết là điểm nóng nhất trên chip. Khi tải thay đổi nhanh, mối nối tăng nhiệt trước NTC, đế đáy và bộ tản nhiệt.
- Vị trí NTC: NTC nằm trên đế gốm gần chip, không nằm trên bề mặt silicon hoạt động.
- Độ trễ nhiệt: Cảm biến bên ngoài phản hồi chậm tùy cấu tạo, tiếp xúc nhiệt và cách lắp.
- Nhiều chip trong mô-đun: IGBT và diode có thể chịu tổn hao khác nhau. Một NTC không phải lúc nào cũng đại diện cho chip nóng nhất.
Muốn ước tính Tj từ phép đo bên ngoài cần mô hình nhiệt đã kiểm chứng, dữ liệu tổn hao và thông số của đúng mô-đun. Không nên xem nhiệt độ vỏ hoặc bộ tản nhiệt là nhiệt độ mối nối.
So sánh các phương pháp đo nhiệt độ IGBT
Việc chọn phương pháp phụ thuộc vào khả năng tiếp cận điểm đo, điện thế tại đó, nhiễu điện từ và mục tiêu thử nghiệm.
| Phương pháp | Vị trí đo | Cách ly và nhiễu | Giới hạn chính |
|---|---|---|---|
| NTC tích hợp | Đế gốm bên trong mô-đun | Được tích hợp theo thiết kế mô-đun | Vị trí cố định; phản hồi chậm hơn biến thiên nhanh của chip |
| Cặp nhiệt điện | Điểm gắn trên vỏ, đế đáy hoặc bộ tản nhiệt | Dây kim loại cần được xem xét về cách ly và đi dây | Dây dẫn có thể mang điện thế và thu nhiễu |
| PT100 / RTD | Bề mặt, bộ tản nhiệt, không khí hoặc chất làm mát | Cần đầu vào đo và tuyến dây phù hợp | Kích thước và dây dẫn có thể hạn chế vị trí hẹp |
| Camera hồng ngoại | Bề mặt nhìn thấy được | Đo không tiếp xúc | Cần tầm nhìn trực tiếp; kết quả phụ thuộc độ phát xạ |
| Đầu dò sợi quang huỳnh quang | Một điểm xác định tại đầu dò | Đường quang không dẫn điện, kháng EMI cao trên đường cảm biến | Đo điểm; phải hoạch định vị trí lắp |
| TSEP / mô hình nhiệt | Ước tính nhiệt độ mối nối | Cần phép đo điện và hiệu chuẩn | Kết quả phụ thuộc mô hình, tổn hao và trạng thái quá độ |
Khi nào nên dùng cảm biến sợi quang cho IGBT?
Trên tấm làm mát nối đất, trong môi trường ít nhiễu, cặp nhiệt điện hoặc RTD thông thường thường đáp ứng được yêu cầu. Cảm biến sợi quang hữu ích khi dây dẫn kim loại gây khó khăn cho cách ly điện hoặc làm tín hiệu đo kém ổn định.
Điểm đo điện thế cao hoặc nổi
Bộ tản nhiệt và đế mô-đun không phải lúc nào cũng nối đất. Dây cảm biến kim loại gắn với điểm đang có điện áp có thể đưa điện thế đó đến thiết bị thu thập dữ liệu. Sợi quang không dẫn điện nên có thể tách thiết bị đo khỏi điểm đo. Bài viết về đo nhiệt độ trong môi trường cần cách ly điện giải thích thêm các yêu cầu này.
Môi trường PWM chuyển mạch nhanh
Chuyển mạch điện áp dv/dt cao và dòng điện nhanh có thể gây nhiễu cho tín hiệu từ đầu dò dây kim loại. Sợi quang truyền tín hiệu ánh sáng nên đường đo ít bị ghép nhiễu điện hơn. Tuy vậy, nguồn cấp và dây giao tiếp của thiết bị đo vẫn cần thiết kế EMC đúng cách.
Lắp đặt nhiều điểm trong không gian hẹp
Đầu dò nhỏ có thể phù hợp với rãnh của tấm làm mát, gần thanh cái DC hoặc trên các bề mặt mô-đun tiếp cận được. Nhiều đầu dò cho phép ghi các nhiệt độ độc lập trong cùng một chu kỳ thử nghiệm. Mỗi kênh cần được gắn với đúng vị trí lắp thực tế.
Kết hợp NTC, đầu dò sợi quang và ảnh nhiệt
Các phương pháp này bổ trợ cho nhau. NTC tích hợp có thể tiếp tục kết nối với bộ điều khiển truyền động để bảo vệ và giảm công suất. Đầu dò ngoài đặt trên đế đáy, thanh cái hoặc bộ tản nhiệt giúp mô tả nhiệt độ tại các điểm của cụm thử nghiệm. Camera ảnh nhiệt hiển thị nhiều bề mặt nhìn thấy cùng lúc nhưng không đo được phía sau tấm chắn hoặc bên trong kênh làm mát kín.
Lắp đầu dò nhiệt độ ở đâu trong hệ thống IGBT?
- Rãnh tấm làm mát: Đầu dò đo điểm cục bộ gần đế đáy. Giữ điều kiện tiếp xúc nhiệt nhất quán giữa các lần thử.
- Lỗ trong bộ tản nhiệt: Đo nhiệt độ thân tản nhiệt; so sánh với điểm trên đế đáy giúp đánh giá truyền nhiệt qua lớp TIM.
- Thanh cái hoặc đầu cực: Theo dõi nhiệt độ mối nối điện nếu đầu dò và cách cố định phù hợp với điện áp và môi trường.
- Vỏ mô-đun: Theo dõi xu hướng nhiệt bề mặt, không phải nhiệt độ bên trong chip.
Ghi lại vị trí, cách cố định, tên kênh và điều kiện vận hành. Đầu dò đo nhiệt độ tại đầu cảm biến, không đo dọc theo toàn bộ chiều dài sợi quang.
Đo nhiệt độ sợi quang huỳnh quang INNO cho điện tử công suất
Trong hệ thống INNO, ánh sáng kích thích truyền qua sợi đến vật liệu huỳnh quang tại đầu dò. Thiết bị phân tích thời gian suy giảm của ánh sáng hồi tiếp và quy đổi thành nhiệt độ tại điểm đó theo đường chuẩn. Đây là phép đo điểm, không phải đo phân bố dọc sợi.
Thông số điển hình phụ thuộc đầu dò và cấu hình thiết bị:
- Dải đo từ −40 °C đến +260 °C.
- Độ chính xác ±0,5 °C đến ±1 °C; độ phân giải 0,1 °C.
- Thời gian đáp ứng dưới 1 giây ở cấu hình tiêu chuẩn; cách lắp và tiếp xúc nhiệt ảnh hưởng kết quả.
- Đường kính đầu dò khoảng 2–3 mm; chiều dài sợi được chọn theo tuyến lắp đặt.
- Thiết bị nhiều kênh có thể được cấu hình với RS485 / Modbus RTU, đầu ra analog và relay tùy model.
Với nhiều điểm đo, hãy chọn số kênh theo số đầu dò độc lập và lập sơ đồ kênh. Bài viết về giám sát nhiệt độ nhiều kênh trên bàn thử nghiệm trình bày ví dụ về cách lập kế hoạch.
Lập kế hoạch đo nhiệt độ cho bàn thử nghiệm IGBT
Khi trao đổi cấu hình, hãy chuẩn bị loại mô-đun, các vị trí cần đo, dải nhiệt độ, số điểm, điện thế, điều kiện chuyển mạch, khoảng trống lắp đầu dò, tuyến đi sợi quang và giao diện DAQ, PLC hoặc SCADA cần dùng.