يبدأ اختيار مستشعر حرارة IGBT بتحديد الموضع المراد قياسه. فبحسب ما إذا كان الهدف حماية الدائرة أو بناء نموذج حراري أو التحقق على منصة اختبار للمحوّل، قد تكون الكمية المطلوبة هي حرارة وصلة السيليكون النشطة، أو قراءة الثرمستور الداخلي، أو غلاف الوحدة، أو اللوحة القاعدية، أو المشتت الحراري. وتختلف درجات الحرارة بين هذه المواضع عند التشغيل تحت الحمل.
كل مستشعر يقيس الحرارة عند موضع تركيبه فقط. ويساعد فهم العلاقة بين حرارة الوصلة والوحدة واللوحة القاعدية والمشتت على تحديد أماكن المجسات وتفسير نتائج الاختبار، ومعرفة متى يكون القياس النقطي بالألياف الضوئية المعتمد على الفلورة مناسباً لاختبارات إلكترونيات القدرة.
أهم النقاط
- تمثل حرارة الوصلة (Tj)، وقراءة NTC الداخلية، وحرارة الغلاف أو اللوحة القاعدية (Tc)، وحرارة المشتت (Th) نقاطاً مختلفة على مسار انتقال الحرارة.
- يوضع الثرمستور NTC المدمج عادةً على الركيزة الخزفية داخل الوحدة، وليس على سطح الشريحة النشطة. وتكون استجابته أبطأ من التغيرات الكهربائية السريعة، ولا يقيس حرارة الوصلة مباشرةً.
- يقيس المجس الخارجي المثبت على غلاف الوحدة أو اللوحة القاعدية أو قضيب التوصيل حرارة السطح المحدد عند نقطة التلامس. ويتطلب تقدير حرارة الوصلة من قراءة سطحية نموذجاً حرارياً معايراً وبيانات لفواقد القدرة.
- تستخدم مجسات الألياف الضوئية الفلورية مساراً بصرياً غير موصل، فلا تنقل أسلاكاً معدنية إلى نقطة القياس. وتفيد عندما يجعل الجهد العالي أو التداخل الناتج عن التبديل استخدام المجسات الكهربائية صعباً.
ما درجات الحرارة المختلفة في بنية IGBT؟
تنتقل الحرارة المتولدة في السيليكون النشط عبر لحام الشريحة والركيزة الخزفية ولحام اللوحة القاعدية واللوحة النحاسية ومادة التوصيل الحراري (TIM)، ثم إلى المشتت أو صفيحة التبريد. ولكل طبقة مقاومة وسعة حرارية، لذلك تنخفض الحرارة تدريجياً على طول هذا المسار.
| نقطة الحرارة | الموقع الفعلي | طريقة القياس المعتادة | هل يقيسها مجس سطحي مباشرة؟ | الغرض الهندسي |
|---|---|---|---|---|
| الوصلة (Tj / Tvj) | المنطقة النشطة من شريحة السيليكون | تقدير TSEP أو نموذج حراري ديناميكي أو قياس بصري متخصص في وحدة مختبرية مجهزة | لا | التحقق من منطقة التشغيل الآمن (SOA)، واختبارات دورات القدرة، وتقدير العمر |
| داخل الوحدة (NTC) | الركيزة الخزفية داخل الغلاف | ثرمستور NTC أو PTC مدمج | لا، تتم القراءة عبر أطراف مساعدة | الحماية من الحرارة الزائدة وخفض التيار والتغذية الراجعة للتحكم |
| اللوحة القاعدية / الغلاف (Tc) | لوحة نحاسية أسفل الركيزة الخزفية | مجس ألياف ضوئية أو مزدوجة حرارية في أخدود صفيحة التبريد | نعم عند توفر وصول ميكانيكي | التحقق من المقاومة الحرارية واستخدام القراءة مرجعاً للنموذج |
| غلاف الوحدة | السطح الخارجي للإطار البلاستيكي أو الراتنجي | مجس تلامسي سطحي أو قياس بالأشعة تحت الحمراء | نعم | مقارنة اتجاهات التسخين بين الوحدات قيد الاختبار |
| المشتت (Th) | سطح صفيحة التبريد أو قناة محفورة داخل المشتت | PT100 أو مزدوجة حرارية أو مجس ألياف ضوئية | نعم | تقييم التبريد وطبقة الواجهة الحرارية |
تشير درجة حرارة الغلاف Tc في ورقة البيانات إلى نقطة مرجعية محددة أسفل اللوحة القاعدية مباشرةً تحت الشريحة، لا إلى الغطاء البلاستيكي الخارجي. ولأن البلاستيك عازل حراري، تكون القراءة أعلى الغلاف أقل من حرارة اللوحة القاعدية. لذا ينبغي تسمية موضع القياس بدقة في تقارير الاختبار لتجنب حسابات حرارية غير صحيحة.
لماذا تختلف حرارة الوصلة وNTC والمشتت؟
في حالة الاستقرار، يعتمد الفرق بين حرارة السيليكون ووسط التبريد على فواقد القدرة ومجموع المقاومات الحرارية على المسار. وفي التشغيل المتغير، تتباعد القراءات لأسباب متعددة:
- موضع الثرمستور على الركيزة: لحماية العزل الكهربائي وتوفير مساحة للشريحة، يوضع NTC بجوار الشريحة لا فوق السيليكون. وتنتشر الحرارة عبر الخزف واللوحة القاعدية قبل وصولها إلى المستشعر.
- التأخر الحراري: تتغير حرارة الوصلة خلال أجزاء من الثانية، بينما تستجيب الثرمستورات الداخلية واللوحات القاعدية الخارجية خلال أعشار الثانية إلى عدة ثوانٍ. لذلك قد ترتفع Tj سريعاً عند تغير التيار قبل أن تتغير قراءة الركيزة أو المشتت.
- الاقتران الحراري بين الشرائح: في وحدات نصف الجسر أو الوحدات ذات أربعة أو ستة مفاتيح، تختلف فواقد ترانزستورات IGBT ودايودات التدوير الحر تبعاً للتيار ونسبة التضمين ومعامل القدرة. وتعكس قراءة NTC واحد منطقةً محلية، لا أعلى حرارة لكل شريحة.
مقارنة طرق قياس حرارة IGBT
يتطلب اختيار الطريقة موازنة سهولة الوصول والجهد الكهربائي وقابلية الإشارة للتشويش وهدف الاختبار.
| الطريقة | موضع القياس | العزل الكهربائي | اعتبارات التداخل الكهرومغناطيسي | المزايا العملية | القيود الرئيسية |
|---|---|---|---|---|---|
| NTC مدمج | الركيزة داخل الوحدة | يوفره العازل الخزفي | متوسط؛ تمر إشارة القياس قرب أسلاك البوابة | مدمج ولا يحتاج تركيب مجس إضافي | موضع ثابت ولا يتتبع تغيرات الشريحة السريعة |
| مزدوجة حرارية | اللوحة القاعدية أو المشتت أو الغلاف أو قضبان التوصيل | الأسلاك المعدنية لا توفر عزلاً بحد ذاتها | قد يلزم التدريع والترشيح بعناية | نقطة تلامس صغيرة وكلفة عتاد منخفضة | تنقل الأسلاك الجهد إلى جهاز القياس |
| PT100 / RTD | جسم المشتت أو سائل التبريد | يتطلب عزلاً مناسباً قرب الموصلات | تحتاج الأسلاك إلى تدريع ومسار ملائم | دقة جيدة واستقرار طويل الأمد | أكبر حجماً وقد لا يناسب المساحات الضيقة |
| كاميرا الأشعة تحت الحمراء | سطح ظاهر أو شريحة مكشوفة | قياس بصري دون تلامس | يمكن وضع الجهاز بعيداً عن المجال الكهربائي | تعرض خريطة حرارية سطحية ثنائية الأبعاد | تحتاج خط رؤية مباشر وتتأثر بانبعاثية السطح |
| ألياف ضوئية فلورية | أخدود اللوحة القاعدية أو قضيب توصيل أو مشتت أو إطار | مسار بصري غير موصل | مقاومة عالية للتداخل على مسار الاستشعار | تتيح القياس التلامسي قرب الجهد العالي | قياس نقطي؛ المجس الخارجي يقيس السطح فقط |
| تقدير TSEP | الخصائص الكهربائية للشريحة النشطة | القياس عبر أطراف القدرة للوحدة | يتطلب أخذ عينات سريعاً أثناء التبديل | يقيّم حرارة الوصلة الافتراضية | معايرة معقدة وصعوبة أثناء PWM المستمر |
متى يفيد مجس الألياف الضوئية في قياس IGBT؟
في بيئة اختبار هادئة، مثل مراقبة كتلة تبريد من الألومنيوم مؤرضة عند جهد منخفض، قد تكون مجسات RTD أو المزدوجة الحرارية كافية. وتظهر فائدة الألياف الضوئية عندما تسبب أسلاك الاستشعار الموصلة قيوداً تتعلق بالسلامة أو بالتشويش الكهربائي.
القياس قرب الجهد العالي والعقد العائمة
في محولات الجر ومحركات الجهد المتوسط والعاكسات الصناعية، قد لا تكون المشتتات واللوحات القاعدية موصولة بالأرض. وقد ينقل تثبيت مزدوجة حرارية على طرف تيار متردد نشط أو قضيب جهد عالٍ أو مشتت عائم هذا الجهد عبر السلك إلى جهاز جمع البيانات. يفصل المسار البصري غير الموصل نقطة القياس عن جهاز القراءة. وتشرح صفحة قياس الحرارة مع العزل الكهربائي هذه الاعتبارات بمزيد من التفصيل.
التشغيل في بيئة PWM سريعة التبديل
تولد حواف dv/dt العالية وتبدلات التيار السريعة ضوضاء كهرومغناطيسية حول وحدات القدرة وقضبان التوصيل. وقد تسبب الضوضاء في الأسلاك المعدنية قراءات مضللة لإشارات المزدوجة الحرارية منخفضة المستوى. وتنقل الألياف الضوء بدلاً من الجهد الكهربائي، لذلك تقل قابلية مسار الاستشعار البصري لالتقاط التداخل الكهربائي.
تركيب مدمج عند نقاط متعددة
يمكن أن تلائم المجسات بقطر 2 إلى 3 مم أخاديد صفيحة التبريد الضيقة أو المسافة بين قضبان التوصيل المصفحة أو المواضع المجاورة لأطراف القدرة، مع مراعاة مسافات العزل المطلوبة. وتتيح عدة مجسات تسجيل حرارة نقاط تركيب مختلفة في الوقت نفسه.
تنسيق مجسات الألياف الضوئية مع NTC والتصوير الحراري
تخدم وسائل القياس أغراضاً مختلفة ويمكن استخدامها معاً:
- مع NTC المدمج: يرتبط NTC مباشرةً بوحدة التحكم ويستخدم للحماية وخفض القدرة. وفي اختبارات المنصة، توضع مجسات ألياف خارجية عند اللوحة القاعدية وأطراف القدرة للتحقق من علاقة الحالة الحرارية للوحدة بقراءة NTC خلال دورات الحمل.
- مع التصوير بالأشعة تحت الحمراء: تعرض الكاميرا توزيع الحرارة على الأسطح الظاهرة، لكنها تحتاج إلى خط رؤية ولا ترى داخل التجميعات المغلقة أو أسفل اللوحة القاعدية. أما المجسات فتسجل القياس بالتلامس عند الواجهات المخفية خلال اختبارات المتانة الطويلة.
أين تركب مجسات قياس حرارة IGBT؟
يحدد موضع المجس ما الذي تقيسه فعلياً. وينبغي تسجيل موضعه الميكانيكي بدقة ضمن بيانات الاختبار:
- أخدود صفيحة التبريد (قياس اللوحة القاعدية): يمكن تمرير المجس في أخدود ضيق حتى تستقر رأسه قرب اللوحة القاعدية أسفل الشرائح. ويعطي ذلك قراءة عند موضع اللوحة القاعدية المحدد إذا ضُبط مكان المجس جيداً. وينبغي تثبيت جودة التلامس الحراري بين الاختبارات.
- داخل المشتت: يقيس مسبار في ثقب أعمى محفور بضعة مليمترات تحت الوحدة حرارة جسم المشتت. وتساعد مقارنة هذه القراءة بقراءة اللوحة القاعدية على تقييم مقاومة الواجهة الحرارية.
- أطراف القدرة ووصلات قضبان التوصيل: قد تسخن وصلات قضبان التيار المستمر المثبتة بالمسامير بسبب مقاومة التلامس أو تيار التموج. ويمكن استخدام مجسات الألياف قرب الموصلات النشطة عندما تتوافق بنية المجس ومستوى العزل وطريقة التركيب مع متطلبات التطبيق.
- غلاف الوحدة: يتتبع المجس على السطح البلاستيكي الخارجي اتجاه تسخين الغلاف. ولا ينبغي اعتبار هذه القراءة تمثيلاً لحالة السيليكون داخل الوحدة، لأن البلاستيك عازل حراري.
حلول INNO لقياس حرارة إلكترونيات القدرة
تصنع INNO أنظمة مراقبة حرارة بالألياف الضوئية الفلورية لمنصات اختبار إلكترونيات القدرة وتطوير المحولات والمعدات الصناعية.
ينقل الليف ضوء الإثارة إلى مادة فلورية حساسة للحرارة عند رأس المجس. ويحلل الجهاز زمن اضمحلال الإشارة العائدة ليستنتج درجة الحرارة. وتعتمد نتيجة القياس الفعلية على المجس المختار وإعدادات الجهاز والمعايرة.
تشمل معايير اختيار المجسات والأجهزة لاختبارات إلكترونيات القدرة ما يلي:
- نطاق الحرارة: من −40 °C إلى +260 °C وفق تكوين المجس.
- الدقة والتمييز: دقة من ±0.5 °C إلى ±1.0 °C وتمييز 0.1 °C بحسب التكوين.
- زمن الاستجابة: أقل من ثانية في التكوينات القياسية؛ ويؤثر التثبيت والتلامس الحراري في الاستجابة بعد التركيب.
- البنية الميكانيكية: مجسات عازلة بقطر 2 إلى 3 مم، وأطوال ألياف قابلة للتهيئة حتى 20 م.
يمكن توصيل عدة مجسات بـجهاز إرسال حرارة متعدد القنوات بالألياف الضوئية يدعم التكوين من قناة واحدة إلى 64 قناة، واتصال RS485 Modbus RTU، ومخارج تناظرية اختيارية 4–20 mA ومرحلات إنذار للتكامل مع أنظمة جمع البيانات وPLC. وتعرض صفحة مراقبة حرارة معدات الجهد العالي اعتبارات تكوين أوسع للمصانع والخزائن.
تهيئة مراقبة الحرارة لمنصة الاختبار
لاختيار المجسات وعدد القنوات والخيارات المناسبة، أرسل إلى فريق INNO الهندسي معلومات عن منصة اختبار إلكترونيات القدرة لديك:
- موضع القياس: أخدود اللوحة القاعدية أو قضيب التوصيل أو المشتت أو الغلاف
- نطاق درجات الحرارة المتوقع
- عدد نقاط القياس
- الجهد الكهربائي وبيئة التبديل
- واجهة الاتصال المطلوبة: RS485 Modbus أو خرج 4–20 mA أو المرحلات