Le choix d’un capteur de température pour IGBT commence par la définition du point à mesurer. Selon que le projet vise la protection, la modélisation thermique ou la validation d’un banc d’essai, la grandeur recherchée peut être la température de jonction du silicium, celle de la thermistance interne, du boîtier, de la semelle, ou du dissipateur. En charge, ces températures peuvent différer sensiblement le long du chemin thermique.
Un capteur mesure la température à l’endroit où il est installé. Distinguer la jonction, le module, la semelle et le dissipateur aide à placer les sondes et à interpréter les résultats d’essai.
À retenir
- Tj, la lecture de la NTC intégrée, Tc et la température du dissipateur correspondent à des points physiques différents.
- La NTC est généralement fixée sur le substrat céramique, près des puces, et non sur la surface active du silicium. Elle ne mesure donc pas directement Tj et réagit plus lentement aux transitoires rapides.
- Une sonde externe mesure la surface qu’elle touche. Estimer Tj à partir de cette mesure nécessite un modèle thermique étalonné et les pertes du composant.
- Une sonde à fibre optique à fluorescence évite un conducteur métallique au point de mesure. Elle convient aux essais où l’isolation électrique et les perturbations de commutation compliquent l’emploi de sondes électriques.
Les différentes températures dans un module IGBT
La chaleur produite dans le silicium traverse la brasure de la puce, le substrat céramique, la brasure de la semelle, la semelle en cuivre et l’interface thermique avant d’atteindre le dissipateur ou la plaque froide. Chaque couche ajoute résistance et capacité thermiques.
| Point thermique | Emplacement | Méthode courante | Mesure directe par une sonde de surface ? | Objectif type |
|---|---|---|---|---|
| Jonction (Tj / Tvj) | Zone active de la puce | Paramètres électriques sensibles à la température, modèle thermique ou capteur de recherche intégré à la puce | Non | Limites de fonctionnement, cyclage en puissance et estimation de durée de vie |
| Température interne du module (NTC) | Substrat céramique à l’intérieur du boîtier | Thermistance NTC intégrée | Non, lecture par les broches auxiliaires | Protection contre la surchauffe et réduction de courant |
| Semelle / boîtier (Tc) | Semelle en cuivre sous le substrat; le point Tc est défini par la fiche technique | Sonde dans une rainure de la plaque de refroidissement ou au point prévu | Oui, si le point est accessible | Vérification de la résistance thermique et référence du modèle |
| Boîtier du module | Surface extérieure en plastique ou résine | Sonde de contact ou caméra infrarouge | Oui | Comparaison des tendances entre composants |
| Dissipateur (Th) | Surface du dissipateur ou canal de refroidissement | PT100, thermocouple ou sonde à fibre optique | Oui | Évaluation du refroidissement et de l’interface thermique |
La température Tc indiquée dans une fiche technique désigne un point de référence défini sur la semelle, pas la surface du boîtier plastique. Le plastique étant isolant, une sonde posée sur le cadre extérieur peut afficher une valeur inférieure à celle de la semelle. Les rapports d’essai doivent nommer précisément le point mesuré.
Pourquoi Tj, la NTC et le dissipateur n’indiquent-ils pas la même température ?
À l’équilibre, l’écart entre la puce et le refroidissement dépend des pertes et des résistances thermiques en série. En régime variable, la NTC est éloignée de la surface active; la chaleur traverse d’abord le substrat et la semelle. La jonction réagit en millisecondes, alors que la NTC, la semelle et le dissipateur peuvent répondre en dixièmes de seconde ou en plusieurs secondes.
Dans un module multipuce, les IGBT et les diodes ne dissipent pas la même puissance selon le courant, la modulation et le facteur de puissance. Une seule NTC représente une zone du substrat, pas nécessairement la puce la plus chaude.
Comparer les méthodes de mesure de température des IGBT
Le choix dépend de l’accès mécanique, du potentiel électrique, des perturbations et de l’objectif de l’essai.
| Méthode | Point mesuré | Isolation électrique | Atout pratique | Limite principale |
|---|---|---|---|---|
| NTC intégrée | Substrat interne | Assurée par le module selon sa conception | Déjà présente, utile à la commande et à la protection | Position fixe; ne suit pas les transitoires rapides de la puce |
| Thermocouple | Boîtier, semelle, dissipateur ou jeu de barres | Pas d’isolation inhérente dans les fils métalliques | Jonction compacte et coût matériel limité | Le câblage peut conduire un potentiel et capter du bruit |
| PT100 / RTD | Surface, dissipateur ou fluide caloporteur | Entrée isolée à prévoir selon l’installation | Stabilité et précision adaptées aux mesures usuelles | Élément et fils parfois encombrants près de la semelle |
| Caméra infrarouge | Surfaces visibles | Mesure sans contact | Cartographie de plusieurs surfaces en une image | Visibilité directe et émissivité maîtrisée nécessaires |
| Fibre optique à fluorescence | Semelle, jeu de barres, dissipateur ou bâti | Chemin optique non conducteur | Mesure ponctuelle près de potentiels élevés avec une forte résistance aux EMI | Mesure au point installé; chaque point exige une sonde |
| Estimation TSEP | Caractéristiques électriques de la puce | Mesure par les bornes du module | Estimation de la température de jonction | Étalonnage et échantillonnage rapide requis |
Quand utiliser une sonde à fibre optique pour un IGBT ?
Pour une plaque froide reliée à la terre dans un environnement calme, un RTD ou un thermocouple peut suffire. La fibre optique devient pertinente lorsque des fils conducteurs compliquent la sécurité ou la qualité du signal.
Mesure près d’un potentiel élevé ou flottant
Dans les variateurs moyenne tension, les convertisseurs de traction et les onduleurs, le dissipateur ou la semelle peuvent être flottants. Un thermocouple raccordé à un point sous tension peut amener ce potentiel jusqu’à l’acquisition. Le chemin optique non conducteur sépare le point mesuré de l’instrument; les distances d’isolement et le montage doivent néanmoins être adaptés à l’application. Consultez aussi le guide sur la mesure de température avec isolation électrique.
Environnement PWM à commutations rapides
Les transitions à fort dv/dt et les commutations rapides créent du bruit autour des modules et des jeux de barres. Une fibre transporte un signal lumineux plutôt qu’une tension de thermocouple; son chemin de mesure est donc moins sensible aux interférences électriques conduites. L’électronique, l’alimentation et les communications de l’instrument nécessitent toujours une conception CEM adaptée.
Plusieurs points dans un espace réduit
Des sondes de 2 à 3 mm peuvent s’installer dans des rainures étroites ou près de connexions, sous réserve des dégagements et de la conception mécanique. Chaque sonde mesure un point défini; plusieurs mesures simultanées exigent plusieurs sondes et canaux.
Associer sonde à fibre optique, NTC intégrée et thermographie
Ces moyens répondent à des besoins différents. La NTC reste reliée à la commande pour la protection et le déclassement. Sur un banc d’essai, des sondes externes peuvent comparer la température du boîtier, de la semelle ou des connexions avec la réponse de la NTC. Une caméra infrarouge visualise les surfaces exposées, tandis qu’une sonde de contact enregistre un point caché ou inaccessible à la caméra.
Où installer les sondes sur un montage IGBT ?
- Rainure de plaque froide : placer la pointe au plus près du point de semelle étudié et conserver le même contact entre essais.
- Intérieur du dissipateur : un trou borgne proche du module mesure le corps du dissipateur; la comparaison avec la semelle aide à évaluer l’interface thermique.
- Bornes et jeux de barres : une sonde peut suivre l’échauffement d’une connexion, si sa construction, son isolation et son montage conviennent au potentiel.
- Boîtier : une sonde extérieure suit la tendance de l’enveloppe, mais ne représente pas directement le silicium ou Tc.
Solutions INNO pour les essais d’électronique de puissance
INNO utilise une mesure ponctuelle de température par fibre optique à fluorescence. Une lumière d’excitation atteint le matériau fluorescent à l’extrémité de la sonde; l’instrument analyse le temps de décroissance de la lumière renvoyée et le convertit en température à cette extrémité. Il s’agit d’une mesure ponctuelle, pas d’une mesure répartie le long de la fibre, et la sonde ne recherche pas automatiquement les points chauds.
Selon la configuration de la sonde et de l’instrument, les paramètres de référence comprennent une plage de −40 à +260 °C, une précision de ±0,5 à ±1 °C, une résolution de 0,1 °C, un temps de réponse inférieur à 1 s en configuration standard, un diamètre de sonde de 2 à 3 mm et une longueur de fibre configurable jusqu’à 20 m. Vérifiez les valeurs de la configuration retenue.
Un transmetteur multicanal peut regrouper les mesures de plusieurs points, avec selon le modèle des communications RS485/Modbus RTU, des sorties analogiques 4–20 mA et des relais d’alarme. Pour une configuration adaptée au banc, indiquez le type de module, les points à mesurer, la plage de température, le potentiel électrique, le nombre de canaux et l’interface d’acquisition. L’équipe peut aussi étudier les besoins de surveillance thermique d’équipements haute tension.
Préparer la surveillance thermique de votre banc d’essai
Pour définir la sonde, le nombre de canaux et l’interface, transmettez à l’équipe INNO :
- l’emplacement exact de chaque mesure;
- la plage de température attendue;
- le nombre de points indépendants;
- le potentiel et l’environnement de commutation;
- l’interface requise, par exemple RS485/Modbus, 4–20 mA ou relais.
Présentez votre montage au service technique INNO.