IGBTの温度センサーを選ぶ前に、まず測定したい場所を決めます。保護制御、熱モデルの検証、コンバータ試験のどれを目的とするかによって、測定対象はシリコン接合部、モジュール内部のサーミスタ、ケース、ベースプレート、ヒートシンクのいずれかになります。負荷運転中は、熱経路上の各点で温度差が生じます。
センサーが測るのは、取り付けた場所の温度です。接合部、モジュール、ベースプレート、ヒートシンクの違いを把握すると、プローブ位置と試験データを適切に判断できます。
要点
- 接合温度（Tj）、内部NTCの読み値、ケース／ベースプレート温度（Tc）、ヒートシンク温度（Th）はそれぞれ異なる物理点の温度です。
- 内蔵NTCは通常、活性シリコン表面ではなくチップ近傍のセラミック基板に配置されます。接合温度を直接測るものではなく、速い過渡変化にも遅れて応答します。
- 外付けプローブは接触した表面の温度を測定します。表面温度からTjを推定するには、校正した熱モデルと損失データが必要です。
- 蛍光式光ファイバープローブは測定点に金属導線を持ち込みません。電気絶縁やスイッチングノイズが課題となる試験で役立ちます。
IGBTモジュール内の温度測定点
チップで発生した熱は、ダイ接合材、セラミック基板、ベースプレート接合材、銅ベースプレート、熱界面材を通ってヒートシンクまたは冷却板へ伝わります。各層には熱抵抗と熱容量があります。
| 測定点 | 物理的位置 | 一般的な測定方法 | 表面プローブで直接測定できるか | 主な目的 |
|---|---|---|---|---|
| 接合部（Tj/Tvj） | シリコンダイの活性領域 | 温度感応電気パラメータ、熱モデル、または試験用モジュールのチップ内センサー | 不可 | 動作限界、パワーサイクル、寿命評価 |
| モジュール内部（NTC） | パッケージ内部のセラミック基板 | 内蔵NTCサーミスタ | 不可。補助端子から読み取る | 過熱保護と電流ディレーティング |
| ベースプレート／ケース（Tc） | 基板下の銅板。Tcはデータシートで定義された点 | 冷却板の溝や指定点にプローブを設置 | アクセスできる場合は可 | 熱抵抗の検証 |
| モジュール筐体 | 外側の樹脂・プラスチック面 | 接触プローブまたは赤外線カメラ | 可 | 部品間の温度上昇傾向の比較 |
| ヒートシンク（Th） | ヒートシンク表面または冷却流路 | PT100、熱電対、光ファイバープローブ | 可 | 冷却性能と熱界面の評価 |
データシートのTcは、樹脂製筐体の外面ではなく、定義されたベースプレート上の基準点を示します。樹脂は熱を伝えにくいため、筐体上の測定値はベースプレート温度より低くなることがあります。試験記録には実際の設置位置を明記してください。
接合部、NTC、ヒートシンクの温度が異なる理由
定常状態では、チップと冷却部の温度差は損失と熱経路の合成熱抵抗によって決まります。NTCは活性領域から離れており、熱が基板やベースプレートを通過してから反応します。接合部はミリ秒単位で変化しますが、NTC、ベースプレート、ヒートシンクの応答はさらに遅くなります。
複数チップのモジュールでは、電流、変調方式、力率によってIGBTとダイオードの損失も異なります。1個のNTCが示すのは周辺基板の温度であり、常に最も高温のチップを表すとは限りません。
IGBT温度測定方法の比較
機械的なアクセス性、電位、ノイズ環境、試験目的を基準に選定します。
| 方法 | 測定位置 | 電気絶縁 | 利点 | 主な制約 |
|---|---|---|---|---|
| 内蔵NTC | モジュール内部の基板 | モジュール設計による | 制御・保護用に標準搭載されている | 位置が固定され、速いチップ過渡には追従しない |
| 熱電対 | 筐体、ベースプレート、ヒートシンク、バスバー | 金属線自体には絶縁機能がない | 接点が小さく、導入しやすい | リード線が電位を伝え、ノイズを拾う可能性 |
| PT100／RTD | 表面、ヒートシンク、冷却液 | 絶縁入力が必要な場合がある | 一般測定で安定性を得やすい | 素子や配線のサイズが制約になる |
| 赤外線カメラ | 視認できる表面 | 非接触測定 | 複数表面の温度分布を一度に確認できる | 視線と放射率の把握が必要 |
| 蛍光式光ファイバー | ベースプレート、バスバー、ヒートシンク、治具 | 非導電性の光路 | 高電圧近傍での点測定と高い耐電磁干渉性 | プローブ位置の点測定で、測定点ごとにプローブが必要 |
| TSEP推定 | チップの電気特性 | 電力端子で測定 | 接合温度を推定できる | 校正と高速サンプリングが必要 |
IGBT測定で光ファイバープローブが適する条件
接地された冷却板を穏やかな電気環境で測る場合は、RTDや熱電対で十分なことがあります。導電性リード線が安全性や信号品質の課題となるとき、光ファイバー方式が選択肢になります。
高電位や浮遊電位の近くで測る
中電圧ドライブ、産業用インバータ、車載コンバータでは、ヒートシンクやベースプレートが接地されていない場合があります。通電点に接続した熱電対の金属線は、計測器まで電位を導く可能性があります。非導電性の光路は測定点と計測器を分離しますが、絶縁距離やプローブの取り付けは用途に合わせる必要があります。電気絶縁を伴う温度測定もご覧ください。
高速PWMスイッチング環境
高いdv/dtと電流の高速スイッチングは、モジュールやバスバー周辺に電磁ノイズを生じさせます。光ファイバーは熱電対電圧ではなく光を伝送するため、測定経路は電気干渉の影響を受けにくくなります。ただし、計測器の電源、通信、電子回路には適切なEMC設計が必要です。
狭い場所で複数点を測る
外径2～3 mmのプローブは、機械構造と必要な絶縁距離が許せば、狭い溝や端子付近に設置できます。1本のプローブが測るのは定義された1点です。複数点を同時監視する場合は、測定点数に応じたプローブとチャンネルを用意します。
光ファイバープローブ、内蔵NTC、赤外線測定の併用
各手段は異なる目的を補います。内蔵NTCは保護やディレーティングのため制御装置に接続したままにします。試験では外付けプローブで筐体、ベースプレート、端子の温度とNTCの応答を比較できます。赤外線カメラは見える表面を広く確認し、接触プローブはカメラから見えない箇所を記録します。
IGBT試験設備でのプローブ設置場所
- 冷却板の溝：調べたいベースプレート位置の近くに先端を置き、試験間で熱接触を一定に保ちます。
- ヒートシンク内部：モジュール近くの止まり穴でヒートシンク温度を測定し、ベースプレートとの差から熱界面を評価します。
- 電力端子・バスバー：接続部の発熱を測る場合は、プローブ構造、絶縁、固定方法が電位に適合することを確認します。
- モジュール筐体：外装の温度傾向を記録しますが、シリコンやTcの温度とはみなしません。
パワーエレクトロニクス向けINNOソリューション
INNOは蛍光式光ファイバーによる点温度測定を採用しています。励起光をプローブ先端の蛍光体に送り、戻り光の減衰時間を計測器で解析して、先端位置の温度へ換算します。これは点測定です。DTSのようにファイバー全長を測定する方式ではなく、未設置のホットスポットを自動検出する機能もありません。
プローブと計測器の構成により、温度範囲−40～+260 °C、精度±0.5～±1 °C、分解能0.1 °C、標準構成で1秒未満の応答時間、プローブ径2～3 mm、最大20 mまで設定可能なファイバー長などが仕様の目安です。採用構成の仕様をご確認ください。
複数プローブはマルチチャンネル計測器に接続できます。モデルに応じてRS485／Modbus RTU、4～20 mAアナログ出力、警報リレーに対応します。試験設備の選定時には、モジュール形式、測定点、温度範囲、電位、チャンネル数、DAQ／PLCインターフェースを共有してください。高電圧機器の温度監視についてもご相談いただけます。
試験設備の温度監視を計画する
プローブ、チャンネル数、インターフェースを検討するため、次の情報をINNO技術チームにお知らせください。
- 各測定点の物理的位置
- 想定温度範囲
- 独立した測定点の数
- 電位とスイッチング環境
- 必要なインターフェース（RS485／Modbus、4～20 mA、リレーなど）
INNO技術チームへ試験条件をご相談ください。