【导读】温度控制是 MOSFET 或 IGBT 功率模块有效工作的关键因素之一。尽管某些 MOSFET 配有内部温度传感器 (体二极管)，但其他方法也可以用来监控温度。半导体硅 PTC 热敏电阻可以很好进行电流控制，或铂基或铌基(RTD)电阻温度检测器可以用较低阻值，达到更高的检测线性度。无论传感器采用表面贴装器件、引线键合裸片还是烧结裸片，NTC 热敏电阻仍是灵敏度优异，用途广泛的温度传感器。只要设计得当，可确保模块正确降额，并最终在过热或外部温度过高的情况下关断模块。
本文以键合 NTC 裸片为重点，采用模拟电路仿真的方法说明功率模块降额和关断基本原理。为什么用模拟方式? 模拟是简化并以可视方式说明不同现象的理想方法，也适用于开发直观的应用。最后一个原因则是：我们仅用免费软件 (LTspice) 开发仿真，而其他设计工具则用于更加复杂的设计。
用 LPspice 进行仿真模拟
1.电路图设计
现在，我们来看图1所示 LTspice 设计，这是一个简单的升压转换器设计。不过，由于 LTspice 的多功能性，IGBT 和二极管模型被热模型取代，热通量用输出脚明确表示，可将其连接到热电路 (如散热器)。我们使用简单的 RC 电路 (实际情况下，设计人员需要仔细将 Zth 模型定义为 Cauer 或 Foster 模型)。
图1
转换器工作期间，热通量形成热点 (本例中，节点 Tsyst 产生电压，需要控制温度)。这个温度输入 NTC 模型 (Vishay 引线键合裸片 NTCC200E4203_T)。NTC 信号通过惠斯通电桥与阈值对比、放大，与锯齿形信号 (Vsaw) 进行比较。最终输出 Vsw 是加在 IGBT 栅极的脉冲信号。Rlim 阻值定义温度阈值以下，我们在 IGBT 栅极加 100 % 满占空比脉冲。过热时—IGBT 和二极管产生热量—加上环境温度 (热电路节点 Tamb 电压)，占空比减小，降压转换器输出/输入比 (Vout/Vcc) 下降。于是，热量减小，温度开始恢复稳定。高于一定温度极限时，这个比值必须减小到 1。
为在合理时间内完成仿真，必须降低散热器热量。热量增加可能需要几分钟甚至几小时，我们希望很短时间内看到效果。
2.仿真结果
以下是仿真结果：每个图中显示的结果含或不含温度降额 (为取消温度控制，Rlim 取值非常低)。
图2（1.不含温度降额 2.含温度降额）
图3
图4（1.不含温度降额 2.含温度降额）
如图2所示，升压转换器在最初 20ms 内通常出现振荡，未优化的表现。温度 Tsyst(图4) 开始升高，然后环境温度升高，当 Tsyst 达到 90°C 时，Vout/Vcc 开始降额。环境温度每升高一点，占空比下降一点，直到升压转换器完全失效。110°C 时，降额达到最大值。
没有温度保护，Tsyst 可达到 160°C 至 170°C (图4)。在实际功率模块中，裸片峰值温度可达到 200°C或更高。
电压 Vsense、Vntc 和 Vlim 如图3所示。图5-图6显示不同时间占空比变化。
当然，所有阈值都是可调的，并且可以相应调整开关阈值。
图5
图6
更复杂的仿真模拟设计
进行更复杂的仿真时，我们还可以重建全桥 IGBT 模块 (如图7所示)。这个电路电感负载产生 50Hz 正弦电流，IGBT 开关频率为 30kHz。栅极驱动器仿真电路 125°C 以下保持恒定频率，并降低占空比，以减轻 IGBT 高于这一温度的损耗。
图7
从图8中，我们可以看到 IGBT 开关产生的总热功率 (以 W 表示 I(V6))，以及随时间升高的温度 (以摄氏度表示 V(Tsyst))。
图8（下图）显示生成的电流。
图8
总结
无需赘述，调整调制参数可降低温度随时间升高 (上图8的红色曲线)：缩短开关占空时间可以减少热量的产生，但也会造成正弦信号损失。
这里我们不再详细介绍，但希望通过提供的示例说明，使用 NTC 热敏电阻进行 LTspice 电路仿真具有更深远意义，可以帮助 MOSFET / IGBT 模块设计工程师更为直观地开发电路，并帮助他们通过减小热量提供电路保护。
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