IGBT 온도 센서를 선택할 때는 먼저 측정 위치를 정해야 합니다. 보호 제어, 열 모델 검증, 컨버터 시험 중 무엇이 목적이냐에 따라 실리콘 접합부, 모듈 내부 서미스터, 하우징, 베이스플레이트 또는 히트싱크 온도가 필요할 수 있습니다. 부하가 걸리면 열 경로상의 위치마다 온도가 달라집니다.
센서는 설치한 위치의 온도만 측정합니다. 접합부, 모듈, 베이스플레이트와 히트싱크 온도의 차이를 이해하면 프로브 위치를 정하고 시험 데이터를 해석하기 쉽습니다.
핵심 내용
- 접합 온도(Tj), 내부 NTC 값, 케이스/베이스플레이트 온도(Tc), 히트싱크 온도(Th)는 서로 다른 물리 지점의 값입니다.
- 내장 NTC는 보통 활성 실리콘 표면이 아니라 칩 가까이의 세라믹 기판에 설치됩니다. 접합 온도를 직접 측정하지 않으며 빠른 과도 현상에는 늦게 반응합니다.
- 외부 프로브는 접촉한 표면을 측정합니다. 표면 측정값으로 Tj를 추정하려면 보정된 열 모델과 손실 데이터가 필요합니다.
- 형광 광섬유 프로브는 측정점에 금속 센서선을 연결하지 않습니다. 전기 절연과 스위칭 EMI가 기존 센서 사용을 어렵게 하는 시험에 유용합니다.
IGBT 모듈에서 구분해야 할 온도
실리콘에서 발생한 열은 다이 접합재, 세라믹 기판, 베이스플레이트 접합재, 구리 베이스플레이트와 열전도 인터페이스를 지나 히트싱크 또는 냉각판으로 이동합니다. 각 층은 열저항과 열용량을 더합니다.
| 측정 지점 | 물리적 위치 | 일반적인 측정 방법 | 표면 프로브로 직접 측정 가능한가? | 주요 목적 |
|---|---|---|---|---|
| 접합부(Tj/Tvj) | 실리콘 다이의 활성 영역 | 온도 민감 전기 파라미터, 열 모델 또는 시험용 칩 센서 | 아니요 | 동작 한계, 파워 사이클링, 수명 평가 |
| 모듈 내부(NTC) | 패키지 안의 세라믹 기판 | 내장 NTC 서미스터 | 아니요. 보조 핀으로 판독 | 과열 보호와 전류 디레이팅 |
| 베이스플레이트/케이스(Tc) | 기판 아래 구리판; Tc는 데이터시트에서 정의된 지점 | 냉각판 홈 또는 기준 위치에 설치한 프로브 | 접근 가능하면 가능 | 열저항 확인 |
| 모듈 하우징 | 바깥쪽 플라스틱 또는 수지 표면 | 접촉 프로브 또는 적외선 카메라 | 가능 | 부품별 발열 추세 비교 |
| 히트싱크(Th) | 히트싱크 표면 또는 냉각 통로 | PT100, 열전대 또는 광섬유 프로브 | 가능 | 냉각 및 열 인터페이스 평가 |
데이터시트의 Tc는 플라스틱 하우징 표면이 아니라 정의된 베이스플레이트 기준점을 뜻합니다. 플라스틱은 열전달이 제한되므로 외부 프레임의 측정값은 베이스플레이트보다 낮을 수 있습니다. 시험 기록에는 실제 프로브 위치를 적어야 합니다.
접합부, NTC, 히트싱크 온도가 다른 이유
정상 상태에서 칩과 냉각부 사이의 온도 차이는 손실과 열 경로의 열저항에 따라 달라집니다. NTC는 활성 표면에서 떨어져 있어 열이 기판과 베이스플레이트를 먼저 지나야 합니다. 접합부는 밀리초 단위로 변하지만 NTC, 베이스플레이트, 히트싱크는 더 느리게 반응합니다.
다중 칩 모듈에서는 부하 전류, 변조 지수, 역률에 따라 IGBT와 다이오드의 손실도 달라집니다. 하나의 NTC 값은 주변 기판의 온도이지, 가장 뜨거운 칩의 값을 항상 나타내는 것은 아닙니다.
IGBT 온도 측정 방법 비교
기계적 접근성, 전위, 노이즈 환경, 시험 목적을 기준으로 방법을 선택합니다.
| 방법 | 측정 위치 | 전기 절연 | 장점 | 주요 한계 |
|---|---|---|---|---|
| 내장 NTC | 모듈 내부 기판 | 모듈 설계에 따름 | 제어와 보호용으로 이미 설치 | 위치가 고정되고 칩 과도 변화에 느림 |
| 열전대 | 하우징, 베이스플레이트, 히트싱크, 버스바 | 금속 리드선에 절연 기능이 없음 | 작은 접점과 낮은 하드웨어 비용 | 리드선이 전위를 전달하거나 노이즈를 받을 수 있음 |
| PT100 / RTD | 표면, 히트싱크, 냉각수 | 절연 입력이 필요할 수 있음 | 일반 측정에서 안정성이 좋음 | 소자 크기와 배선 공간 제약 |
| 적외선 카메라 | 시야에 들어오는 표면 | 비접촉 | 여러 표면의 열 분포를 한 번에 확인 | 직접 시야와 방사율 정보 필요 |
| 형광 광섬유 | 베이스플레이트, 버스바, 히트싱크, 지그 | 비전도성 광 경로 | 고전압 근처의 점 측정 및 높은 EMI 내성 | 프로브 지점만 측정하며 각 지점에 프로브 필요 |
| TSEP 추정 | 칩의 전기적 특성 | 전력 단자에서 측정 | 접합 온도 추정 | 보정과 고속 샘플링 필요 |
IGBT 온도 측정에 광섬유 프로브가 적합한 경우
접지된 냉각판을 조용한 전기 환경에서 측정한다면 RTD나 열전대로 충분할 수 있습니다. 도전성 배선이 안전이나 신호 품질을 복잡하게 만들 때 광섬유 센싱을 고려합니다.
고전위 또는 부유 노드 주변 측정
중전압 드라이브, 산업용 인버터, 견인 컨버터에서는 히트싱크나 베이스플레이트가 부유 전위일 수 있습니다. 통전점에 연결된 열전대의 금속선이 계측기까지 전위를 전달할 수 있습니다. 비전도성 광 경로는 측정점과 계측기를 분리하지만 프로브 설계, 절연 거리와 설치는 해당 애플리케이션에 맞아야 합니다. 전기 절연 온도 측정도 참고하세요.
고속 PWM 스위칭 환경
높은 dv/dt와 빠른 전류 스위칭은 모듈과 버스바 주변에서 전자기 노이즈를 만듭니다. 광섬유는 열전대 전압 대신 빛을 전달하므로 측정 경로가 전기 간섭을 덜 받습니다. 계측기 전원, 통신, 전자회로에는 여전히 적절한 EMC 설계가 필요합니다.
좁은 공간에서 여러 지점 측정
외경 2~3 mm 프로브는 구조물과 절연 간격이 허용하면 좁은 홈이나 단자 근처에 설치할 수 있습니다. 프로브 한 개는 정의된 한 지점을 측정합니다. 여러 지점을 동시에 기록하려면 지점마다 프로브와 채널을 준비해야 합니다.
광섬유 프로브, 내장 NTC, 열화상 측정의 조합
세 방법은 서로 다른 질문에 답합니다. 내장 NTC는 보호와 디레이팅을 위해 제어기에 연결해 둡니다. 시험 중에는 외부 프로브로 하우징, 베이스플레이트, 단자 온도와 NTC 응답을 비교할 수 있습니다. 열화상 카메라는 노출된 표면을 보여주고, 접촉 프로브는 카메라로 볼 수 없는 지점을 기록합니다.
IGBT 시험 장치에서 프로브 설치 위치
- 냉각판 홈: 평가할 베이스플레이트 지점에 가깝게 팁을 두고 시험 간 열 접촉 조건을 일정하게 유지합니다.
- 히트싱크 내부: 모듈 근처의 막힌 구멍에 프로브를 넣어 히트싱크를 측정합니다. 베이스플레이트 값과 비교해 열 인터페이스를 살펴볼 수 있습니다.
- 전력 단자와 버스바: 프로브 구조, 절연 등급, 고정 방식이 전위에 맞는 경우 체결부 발열을 측정합니다.
- 모듈 하우징: 외부 발열 추세를 기록하되 실리콘 또는 Tc 온도로 간주하지 않습니다.
전력전자 시험을 위한 INNO 솔루션
INNO는 형광 기반 광섬유 점 온도 측정을 사용합니다. 여기광이 프로브 팁의 형광체에 도달하고, 계측기는 되돌아온 빛의 감쇠 시간을 분석해 팁 위치의 온도로 환산합니다. 분포형 DTS가 아니며 광섬유 전체 길이를 측정하지 않습니다. 프로브가 설치되지 않은 핫스폿을 자동으로 찾지도 않습니다.
프로브와 계측기 구성에 따라 −40~+260 °C 범위, ±0.5~±1 °C 정확도, 0.1 °C 분해능, 표준 구성에서 1초 미만 응답, 2~3 mm 프로브 직경, 최대 20 m까지 설정 가능한 광섬유 길이 등을 선택할 수 있습니다. 적용할 구성의 사양을 확인하세요.
여러 프로브를 다채널 계측기에 연결할 수 있습니다. 모델에 따라 RS485/Modbus RTU, 4~20 mA 아날로그 출력, 경보 릴레이를 지원합니다. 구성 검토를 위해 모듈 종류, 측정 지점, 온도 범위, 전위, 채널 수, DAQ/PLC 인터페이스를 준비하세요. 고전압 장비 온도 모니터링도 안내합니다.
시험 장치 온도 모니터링 준비
프로브, 채널 수, 인터페이스 구성을 논의할 때 다음 정보를 INNO 엔지니어링 팀에 전달하세요.
- 각 측정점의 물리적 위치
- 예상 온도 범위
- 독립 측정점 수
- 전위와 스위칭 환경
- 필요한 인터페이스(예: RS485/Modbus, 4~20 mA, 릴레이)
INNO 엔지니어링 팀에 시험 조건을 문의하세요.