NTC-Thermistoren Temperatur von IGBT- und MOSFET-Modulen überwachen

Autor / Redakteur: Alain Stas und Bruno van Beneden * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Eine verlässliche Temperaturüberwachung ist für den problemlosen Betrieb eines MOSFET- oder IGBT-Leistungsmoduls unverzichtbar. Obwohl einige MOSFETs mittlerweile mit internen Temperatursensoren (Body-Dioden) ausgestattet sind, gibt es für die Überwachung und Begrenzung der Temperatur geeignete Alternativen.

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Bild 1: Aufwärtswandler mit Temperaturmanagement.
Bild 1: Aufwärtswandler mit Temperaturmanagement.
(Bild: Vishay)

Als Temperatursensor zur Temperaturüberwachung von IGBT- und Leistungs-MOSFET-Modulen eignet sich beispielsweise ein siliziumbasierter PTC-Halbleiterwiderstand oder ein relativ niederohmiger Pt- oder Ni-Widerstand (RTD, resistance temperature detector), dessen Linearität besser als die eines internen Temperatursensors in Form einer Body-Diode ist. Der genaueste und vielseitigste Temperatursensor jedoch ist immer noch ein NTC-Thermistor – ganz gleich in welcher Ausführung, ob als SMD-Sensor, drahtgebondeter Chip oder gesinterter Chip. Bei richtiger Auslegung sorgt der Thermistor bei Überhitzung oder zu hoher Umgebungstemperatur für eine ordnungsgemäße Leistungsreduktion oder Abschaltung.

Im diesem Beitrag wenden wir uns einem bondbaren NTC-Chip zu und beschreiben eine Analogschaltungssimulation zur Temperaturabsenkung (Derating) und Übertemperaturabschaltung eines Leistungsmoduls. Warum analog? Weil dies der beste Weg ist, die Zusammenhänge möglichst einfach darzustellen und die relevanten Phänomene zu visualisieren. Die Methode fördert zudem die Entwicklung einer intuitiven Anwendung. Letztendlich spielt auch der finanzielle Aspekt eine Rolle: Wir wollen eine Simulation entwickeln, die auf Basis kostenloser Software (LTspice) laufen kann – auch wenn andere Entwicklungswerkzeuge vielleicht ausgefeiltere Designs ermöglichen würden.

Betrachten wir das in Bild 1 gezeigte LTspice-Design einer einfachen Aufwärtswandlerschaltung. Wir machten uns die Vielseitigkeit von LTspice zu Nutze und ersetzten die IGBT- und Diodenmodelle durch thermische Modelle, bei denen die Wärmeströme explizit durch einen Ausgangspin dargestellt werden, so dass sie mit einem thermischen Schaltungselement (beispielsweise Kühlkörper) verbunden werden können. Wir modellieren hier den Kühlkörper durch eine einfache RC-Schaltung (in der Realität würde der Entwickler die thermische Impedanz (Zth) durch ein genaueres Cauer- oder Foster-Modell nachbilden).

Wärmefluss führt zum Hotspot beim Wandlerbetrieb

Wenn der Wandler in Betrieb ist, entsteht durch den Wärmefluss ein Hotspot (im vorliegenden Fall ist dies die Spannung am Knoten Tsyst, welche die zu überwachende Temperatur darstellt). Diese Temperatur wird in ein NTC-Modell (drahtbondbarer Thermistor Vishay NTCC200E4203_T) eingegeben.

Das NTC-Signal wird in einer Wheatstone-Brückenschaltung mit einem Schwellenwert verglichen, verstärkt und dann mit einem Sägezahnsignal (Vsaw) verglichen. Mit der resultierenden gepulsten Ausgangsspannung Vsw wird das Gate des IGBTs angesteuert. Unterhalb des durch den Widerstand Rlim definierten Schwellenwerts wird das IGBT-Gate mit einem Tastverhältnis von 100% angesteuert.

Bei Übertemperatur – hervorgerufen durch die Verlustleistung des IGBTs und der Diode im Zusammenspiel mit der Umgebungstemperatur (Spannung am Knoten Tamb des Kühlkörper-modells) – reduzieren sich das Tastverhältnis und das Ausgangsspannung/Eingangsspannung-Verhältnis (Vout/Vcc) des Aufwärtswandlers. Dadurch verringert sich die Wärmeproduktion, und die Temperatur stabilisiert sich. Ab einer bestimmten Temperatur ist es notwendig, dieses Verhältnis auf 1 zu reduzieren.

Der Temperaturanstieg kann sich über viele Minuten oder gar Stunden hinziehen; andererseits wollen wir ihn möglichst schnell visualisieren. Deshalb setzen wir die Wärmekapazität des Kühlkörpers entsprechend niedrig an und erhalten somit eine akzeptable Zeitspanne, in der unsere Simulation ablaufen kann.

Hier sind die Simulationsergebnisse: Alle Bilder zeigen sowohl die Ergebnisse mit als auch ohne Temperaturabsenkung. (Um die Übertemperaturabschaltung zu deaktivieren, wird der Wert von Rlim sehr klein angesetzt).

Überschwinger während der ersten 20 ms vermeiden

Bild 2: Signale der Schaltung aus Bild 1 (Spannungen an den Knoten Vout und Vcc).
Bild 2: Signale der Schaltung aus Bild 1 (Spannungen an den Knoten Vout und Vcc).
(Bild: Vishay)

In Bild 2 erkennt man die bei nicht-optimierten Aufwärtswandlern üblichen Überschwinger während der ersten 20 ms. Die Temperatur Tsyst (Bild 4) beginnt zu steigen, und wenn anschließend die Umgebungstemperatur steigt, beginnt ab Tsyst = 90 °C die Vout/Vcc-Absenkung. Jeder weitere Anstieg der Umgebungstemperatur verringert das Tastverhältnis weiter bis hin zur vollständigen Deaktivierung des Wandlers. Das ist bei 110 °C der Fall.

Bild 4: Signale der Schaltung aus Bild 1 (Umgebungs- und Systemtemperaturen).
Bild 4: Signale der Schaltung aus Bild 1 (Umgebungs- und Systemtemperaturen).
(Bild: Vishay)

Ohne Übertemperaturschutz kann Tsyst 160 bis 170 °C erreichen (Bild 4). Bei realen Leistungsmodulen sind sogar Spitzentemperaturen von 200 °C oder mehr möglich.

Bild 3: Signale der Schaltung aus Bild 2 (Vsense, NTC-Spannung und Referenzspannung).
Bild 3: Signale der Schaltung aus Bild 2 (Vsense, NTC-Spannung und Referenzspannung).
(Bild: Vishay)

Bild 3 zeigt die Spannungen Vsense, Vntc und Vlim. Die Bilder 5 und 6 zeigen das zeitlich variierende Tastverhältnis. Selbstverständlich sind alle Schwellenwerte skalierbar, und der Schalter-Schwellenwert kann entsprechend angepasst werden.

Bild 5: PWM-Signalverlauf bei niedrigen Temperaturen.
Bild 5: PWM-Signalverlauf bei niedrigen Temperaturen.
(Bild: Vishay)

Bild 6: PWM-Signalverlauf bei höheren Temperaturen.
Bild 6: PWM-Signalverlauf bei höheren Temperaturen.
(Bild: Vishay)

Bild 7: Vollbrücken-IGBT-Modul.
Bild 7: Vollbrücken-IGBT-Modul.
(Bild: Vishay)

Mit komplexeren Simulationen können wir auch ein Vollbrücken-IGBT-Modul nachbilden (Bild 7). Die abgebildete Schaltung erzeugt einen sinusförmigen 50-Hz-Strom durch eine induktive Last, wobei der IGBT mit 30 kHz getaktet wird. Die Gate-Treiberschaltung stellt bis 125 °C eine konstante Frequenz bereit und verringert oberhalb dieser Temperatur das Tastverhältnis, um die IGBT-Verlustleistung zu reduzieren.

Bild 8: Signalverläufe der Schaltung in Bild 7 (Leistung, Schaltstrom und Temperaturanstieg).
Bild 8: Signalverläufe der Schaltung in Bild 7 (Leistung, Schaltstrom und Temperaturanstieg).
(Bild: Vishay)

Bild 8 zeigt den Schaltverlust des IGBTs (I(V6)) in Watt und die Temperatur V(Tsyst) in °C. Das untere Diagramm in Bild 8 stellt den Stromverlauf dar.

Ohne auf Details einzugehen, sei erwähnt, dass man den Temperaturanstieg (Bild 8, unteres Diagramm, rote Kurven) durch „Herumspielen“ an den Modulationsparametern verringern kann. Eine Reduktion der Einschaltdauer verringert die Wärmeproduktion, führt aber zu größeren Abweichungen von der Sinusform des Signals.

Wir wollen das an dieser Stelle nicht weiter vertiefen, aber wir hoffen, mit den obigen Beispielen gezeigt zu haben, dass LTspice-Simulationen von Schaltungen mit NTC-Thermistoren sehr ausführlich sein können. Zudem möchten wir Entwicklern von MOSFET/IGBT-Leistungsmodulen ein Gespür für die Schaltung vermitteln und dazu beitragen, wichtige Aspekte des Temperaturmanagements zu verstehen und geeignete Schutzfunktionen zu implementieren.

* Alain Stas ist Product Marketing Engineer, Non-Linear Resistors, bei Vishay.

* Bruno van Beneden ist Senior Application und Design-in-Manger bei Vishay Intertechnology.

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