功能循环实验中的NTC/PTC的数据采集及处理

NTC/PTC都是热敏电阻，NTC（Negative Temperature Coefficient）是负温度系数，特性表现为电阻值随温度的升高而变小，PTC（Positive Temperature Coefficient）是正温度系数。IGBT内部（尤其是车规IGBT或者是SiCMosFET）通常会集成NTC，通过NTC测量的某点温度，去监控或推算IGBT芯片的结温。在模块设计中，也有把NTC的温度作为一个阈值（比如NTC的温度上限为85℃），阈值的设定和NTC所处的位置有关。

IGBT模块的横向面积比较大，平面上，温度并不是等温分布，在模块内部同一个位置内置NTC，使得温度测量点相对固定，模块内封装的NTC参数也完全相同，NTC采集到温度信号有确定的物理意义。NTC的主要功能即是用来测量IGBT在某一个状态下测量点的实时温度。但是如果要希望通过NTC的采集数据去估算IGBT的结温，就需要先建立结温和检测点的温度之间的关系模型，是否能准确估算结温取决于模型的准确性和通用性。

如上图所示，芯片和NTC都位于同一个陶瓷基板上，基板下方是散热器。当IGBT工作时，电流通过IGBT产生导通压降，瞬态上结温是不断升高的，同时热量通过基板横向传递，NTC的温度也在不断升高，如果电流不变，最终IGBT的结温也不会变化，而NTC采集到温度也不会变化，整个系统之间热相对平衡，这便是我们常说的，系统已经到达热饱和状态。在热平衡状态下，我可以直接通过NTC读出采集点的温度T_NTC，而芯片的结温T_j也可以通过瞬态热测试技术去测量。

按照热阻的定义，热阻等于温度梯度除以功率，建立模块的热阻网络模型，便有以下公式可以计算热阻：

其中：

R_thjc        结壳热阻

R_thcs壳到热沉的热阻

R_thsa 热沉到环境的热阻

R_thjntc 结到NTC的热阻

R_thcntc 壳到NTC的热阻

而：T_j ，T_c ，T_s ，T_a，T_ntc，分别是结温，壳温，热沉的温度，环境温度，NTC的测量温度。

尽管业界常常会根据这个热阻网络模型，用NTC的温度去估算结温，实际上这个模型的理论基础存在先天的缺陷。

我们分析这个热阻网络模型，会发现，T_c点存在两个散热路径，一个是向NTC，另一个是向环境，而这两个散热路径的功率都是按照模块的功率P计算的，这个现象在物理世界中是不可能的：从结到壳的功率P，到了壳变成了两个功率P，能量不守恒。由此可见，虽然温度可以精确测量，但是上述公式中的功率都使用功率P，肯定是不符合客观物理事实的。

现实情况中，这种点对点的功率是无法测量的，而且也不会是恒定的比例，功率分布取决于散热路径。在特定的条件下，NTC的温度和结温存在对应关系，而当条件变化时，这种对应关系也会变化。

如果希望通过NTC来估算结温，那么确定芯片结温和NTC温度的关系曲线是非常重要的工作。关于获得这个关系曲线的方法，目前有两个可行的思路。

第一个思路，首先建立参数的标准化模型，确定可能影响这种对应关系的边界条件（比如发热功率，环境温度等参数），通过实验，获得大量的实测数据并尝试建模，建立起对应关系。这种方法的优点在于，一旦得到离散的对应关系，可以基于一定的差分条件获得的结温估算值，因为数据是基于实验结果的测量，可以认为该结温的估算值的精度是比较高的。缺点是，这种基于实验的结果，需要很大工作量，而且实验误差不可避免，对做实验的人有一定的要求。

第二个思路，建立模块的热数字孪生体模型，通过三维仿真模型去建立对应关系，三维模型可以通过后处理得到很多实验无法得到的信息和数据（比如功率分布，温度分布，等温线等），这种方法的优点在于可以建立可以重用的模型，而缺点是建立热数字孪生体过程需要一定的技术，同样热数字孪生体也存在误差。

NTC的温度和结温的关系曲线，是基于稳态条件下的测试结果获得的。如果我们希望可以把在功率循环实验中也能参考NTC的温度，而功率循环实验中，模块的发热功率一直在变化，仅仅有NTC温度和结温关系曲线是不够的。功率循环实验中，芯片的结温和NTC的温度大部分情况都是一直变化的，对于这两个温度的测量，就不能只是一个温度的测量值，NTC温度和结温在时序上的定义和同步对于后续数据的处理至关重要。这就是说，如果设备对于结电压采集的频率是1MHz，那么对于NTC的温度采集，也应该是1MHz。我们曾经使用过1KHz的频率（因为常见的第三方采集NTC温度的频率大概就在1KHz这个数量级）去采集NTC的数据（NTC的时间常数比芯片大很多，温度变化也慢很多），但是数据的后续处理存在很多麻烦和隐患，实际结果也不理想。最终我们是在瞬态热测试设备直接开发了这个功能——用1MHz的速率对NTC进行采样，并在时序上同步。

同样采用1Mhz的采样速率，NTC的采集时序和瞬态热测试结温采集信息同步，这样可以建立NTC的温度和结温之间的直接对应关系，这就为很多以前无法测试和验证的模型提供了非常有利的工具条件，目前这个领域是业界完全尚未涉足的领域（以前没有工具），后续随着大量的实验数据不断被开发，采集和处理，可以预见的是一定会出现很多有价值的数据来填补目前的技术空白。

一个非常实际的应用，在校准热数字孪生体模型时，同时参考NTC的瞬态数据，必然会提高模型的准确度，可靠度。结构函数的校准基本思想是拟合，而对于结构函数，存在两个拟合方向，即是热容拟合和热阻的拟合，这两个方向通常是同时需要拟合的，如何分配拟合的权重，需要依赖工程师的经验和对热流路径的深刻理解。如果能从瞬态热测试设备导出多个测量值（比如芯片的测试温度和NTC的测试温度），并设置相应的仿真模型进行校准，以拟合所有测量的结构函数或者Zth曲线。拟合某一个曲线时，同时可用其他多个热流路径做横向比较（因为时序上是同步的），这样的结构函数拟合出来的参数，可以极大地提高了人们的信心，通过多维度校准，得到更准确的等效参数，建立相应更匹配客户物理模型的热数字孪生体。