【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）功率模塊正推動電動汽車革命，其高頻、高壓和耐高溫（結(jié)溫可超200°C） 的特性，對溫度檢測的精確性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。精確的結(jié)溫監(jiān)測，是釋放SiC性能潛力、保障模塊可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
碳化硅（SiC）功率模塊正推動電動汽車革命，其高頻、高壓和耐高溫（結(jié)溫可超200°C） 的特性，對溫度檢測的精確性提出了前所未有的挑戰(zhàn)。精確的結(jié)溫監(jiān)測，是釋放SiC性能潛力、保障模塊可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。
為實現(xiàn)精確檢測，行業(yè)正從傳感器技術(shù)和算法模型兩大路徑尋求突破：
傳感器路徑：通過革新傳感器技術(shù)與安裝工藝，在硬件層面直接提升測溫的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度。
模型與算法路徑：利用熱網(wǎng)絡(luò)模型和實時電參數(shù)，在軟件層面計算或估算結(jié)溫，彌補(bǔ)物理傳感器的不足。
下面的表格梳理了這兩條技術(shù)路徑的核心思路與代表性方法：
技術(shù)路徑
核心思路
代表性方法
傳感器路徑：硬件革新與安裝工藝優(yōu)化
在硬件層面，“測量誰” 和 “在哪測量” 同樣重要。
1. 傳感器技術(shù)與安裝工藝的革新
傳統(tǒng)熱敏電阻因其焊盤與芯片分離的安裝方式，存在熱響應(yīng)慢和測量精度不足的問題。為此，業(yè)界推出了如村田制作所的 “FTI系列”NTC熱敏電阻。
耐高溫與結(jié)構(gòu)化：該產(chǎn)品采用樹脂模塑結(jié)構(gòu)，工作溫度范圍覆蓋-55°C至175°C，能滿足汽車動力總成的苛刻環(huán)境。
引線鍵合與精準(zhǔn)布局：其最大創(chuàng)新是支持引線鍵合，可用細(xì)金屬線直接連接電極。這使得傳感器能被設(shè)置在功率半導(dǎo)體芯片附近，大幅減少熱傳遞路徑，從而提升響應(yīng)速度和測量精度，并節(jié)約布板空間。
2. “功率循環(huán)測試”模擬真實應(yīng)力
除了靜態(tài)測溫，功率循環(huán)測試是評估模塊在真實工作狀態(tài)下壽命和可靠性的關(guān)鍵手段。該測試通過模擬元件的開關(guān)動作，使其反復(fù)自發(fā)熱和冷卻，從而考核其耐溫度循環(huán)的能力。
根據(jù)開關(guān)頻率的不同，應(yīng)力會集中在不同部位：短時開關(guān)（<5秒） 主要考驗芯片及鄰近的焊層；而長時開關(guān)（>15秒） 則會對模塊整體（如打線、系統(tǒng)焊接）產(chǎn)生熱應(yīng)力。
在測試中，需要同步監(jiān)測最大結(jié)溫（Tj-max）、熱阻（Rth） 及導(dǎo)通電壓（Von） 等關(guān)鍵參數(shù)的變化，以全面評估模塊的健康狀態(tài)。
模型與算法路徑：從“感知”到“感知與預(yù)測結(jié)合”
對于車載逆變器等復(fù)雜系統(tǒng)，僅依賴物理傳感器是不夠的。尤其是在高環(huán)境溫度（如105℃冷卻液） 和高功率密度的設(shè)計要求下，結(jié)溫的波動更為劇烈。通過模型算法進(jìn)行在線提取和預(yù)測，成為確保系統(tǒng)在安全邊界內(nèi)運(yùn)行的重要手段。
1. 基于內(nèi)置NTC的熱網(wǎng)絡(luò)模型法
這是一種有效的在線結(jié)溫提取方法。其核心思想是：建立從芯片熱源到模塊內(nèi)部NTC傳感器之間的精確熱傳導(dǎo)模型。
優(yōu)勢：該模型對模塊外部的散熱條件（如導(dǎo)熱硅脂老化、散熱器性能變化）不敏感，僅關(guān)注模塊內(nèi)部的熱動態(tài)，從而在不同邊界條件下都能保持穩(wěn)定和準(zhǔn)確。
關(guān)鍵挑戰(zhàn)：必須考慮多芯片之間的熱耦合效應(yīng)。一個芯片產(chǎn)生的熱量會通過襯底橫向傳導(dǎo)，導(dǎo)致其周邊芯片的溫度也升高。研究數(shù)據(jù)表明，在逆變工作狀態(tài)下，忽視熱耦合會使對芯片熱阻抗的估算產(chǎn)生約10%的偏差。
2. 熱敏電參數(shù)法
該方法利用半導(dǎo)體器件本身某些電學(xué)參數(shù)（如導(dǎo)通電阻、閾值電壓）與溫度之間的固有關(guān)系，通過測量這些電參數(shù)來反向推算出結(jié)溫。
潛力：被認(rèn)為是最直接、最具前景的結(jié)溫檢測方法之一。
瓶頸：目前該方法在實際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)，例如測量電路可能干擾器件正常運(yùn)行，以及測量信號易受外部噪聲干擾等。
實現(xiàn)精確高溫檢測的設(shè)計要點
綜合以上分析，為實現(xiàn)SiC車載功率模塊的精確高溫檢測，工程師需要在設(shè)計中關(guān)注以下要點：
傳感器選型與布局是關(guān)鍵基礎(chǔ)：優(yōu)先選擇支持高溫、可近距離安裝的傳感器（如引線鍵合型NTC），并將其盡可能靠近熱源（功率芯片） 放置。
明確模型邊界條件的重要性：基于NTC的熱網(wǎng)絡(luò)模型之所以可靠，在于其將溫度參考點設(shè)置在模塊內(nèi)部，從而隔離了外部散熱系統(tǒng)變化帶來的不確定性。
結(jié)溫監(jiān)測是釋放性能的前提：在追求高功率密度（如47.8 kW/L）和超高環(huán)境溫度（如105℃）的設(shè)計中，突破結(jié)溫在線監(jiān)測技術(shù)是實現(xiàn)主動熱管理和最大化輸出功率的前提。
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