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作者   英飞凌工业功率控制事业部大中华区应用工程师 王刚 田斌

引言

IPM模块是电机驱动变频器的最重要的功率器件, 近些年随着IPM模块的小型化使模块Rth(j-c)变大，从而对温升带来了越来越多的挑战；虽然芯片技术的进步会降低器件损耗，能一定程度缓解小型化的温升问题，但不断成熟的控制技术和成本控制也需要更有效的利用结温评估结果进行灵活保护。在实际应用中，工程师最直接也是最常见的一个问题就是：我检测到了IPM的NTC的温度，那么里面IGBT&MOSFET真实的结温是多少？本文详细叙述了实际使用时对IPM模块的各种结温的计算和测试方法，从直接红外测试法，内埋热敏测试，壳温的测试方法，都进行详细说明，以指导技术人员通过测量模块自带的Tntc的温度估算或测试IPM变频模块的结温，然后利用开发样机测试结果对实际产品进行结温估算标定，评估IPM模块运行的可靠性。

实际产品中IPM结温评估的重要性和评估条件

很显然在实际产品中，我们能检测的温度信息有Tntc，Ta，以及其他信息有系统功率（或相电流，母线电压），散热风速（影响热阻）等，而在开发样机阶段除了Tntc，Ta，还能通过一定手段检测Tc，IPM的耗散功率等，从而能根据实际功率，热阻参数，Tc来估算Tj。

实际产品与开发样机需要保证负载功率，IPM参数，系统热阻模型都一致，才能通过开发测试样机的定标测试结果来设定实际产品不同工况的保护限值，所以实际产品需要利用的定标参数包括：实际的负载信息，Ta，Tntc，散热风速等。

IPM的热阻模型

在准备评估结温前，我们先复习一遍IPM的热阻模型，如下图以英飞凌自带NTC的Mini系列IPM模块散热器安装结构为例：

图1.IPM的热阻模型

如图2，P1是IGBT晶圆到模块底部和散热器的散热路径，P2是IGBT晶圆到模块上部的散热路径，由于Rthch+Rthha<<Rthc2a，所以P1为主要的功率耗散通道。同时我们要注意散热风量会影响Rthha跟Rthc2a。

图2.IPM的简化热阻模型

IPM的结温计算

IPM的损耗是由IGBT的导通损耗和开关损耗组成，驱动芯片的损耗可以忽略不计，计算原理和分立IGBT的损耗计算是一样的，英飞凌在相关文档都有很详细的论述。

这里只简要提及计算过程，先利用规格书上图3的I-V曲线找到不同电流条件下的Vcesat和Vf，通过跟实时电流的积分计算IGBT跟diode的导通损耗。然后利用双脉冲测试平台测试不同电流条件下的Eon，Eoff，Erec损耗, 再通过积分计算得到开关损耗。当然，因为规格书参数本身会存在范围误差，为了得到更准确地数值，实际操作时可能需要更准确的实测数据得到Ptotal。

得到Ptotal后，我们可以通过以下公式来计算单颗晶圆上的结温Tj：

Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c

Tj：IGBT的结温

Tc：模块晶圆正下方的表面温度

Ptotal：IGBT开关和导通损耗

Rthj-c：IGBT芯片和到封装表面之间的热阻

图3.IGBT和二极管的I-V曲线

对于英飞凌IPM产品来说，我们有一个更简便的方法，如图4可以利用仿真工具输入实际使用的系统条件就可以直接算出对应IPM在指定条件下的损耗和结温。

图4.英飞凌IPM仿真工具

结温的检测方法

通常我们能想到两种最直接的办法，一种红外测温仪直接检测，一种是预埋热电藕测试。

如图5第一种方法是将模块在最热的晶圆处开口，露出晶圆并将其涂黑，用红外测温仪测量晶圆温度。这种方法通常在工程研究上做参考评估用，实际产品测试时因空间结构所限往往并不可取。

图5.红外测温仪测试结温

第二种方法需要IPM厂家提供预埋热电偶的样品，在最热晶圆处开孔至晶圆外露，预埋热电藕于晶圆上方足够近但又不接触到晶圆的地方，样机测试时可以通过数据采集仪读取芯片温度。

预埋热电偶的测量方法建议通过测量IPM的直流非开关工作状态来模拟等损耗条件的实际工作状况；直接进行动态负载测试建议采用手持式测温仪减小干扰，并对测量引线及设备的布放进行优化，实际操作时难度还是非常大的。

利用结壳热阻法测量模块结温是比较常见并且有效的一种方法：先测试壳温Tc，通过结壳热阻Rthj-c，然后利用我们上述计算出来的Ptotal功耗来计算得到结温（Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c）。

Tc壳温指的是最高结温晶圆正对散热器的壳的温度，要测得此点温度需要在散热器钻孔或者开槽布防热电藕，如图6的两种开槽方式：

图6.Tc测试热电偶安装的开槽方式

结温标定

在实际的项目开发时，我们只需要在开发前期测试各种不同极限条件下的Tc和Tntc温度，拟合出Ta 、Vs、Tntc、Vs、Tj的对应曲线关系。

实现利用开发样机测试结果对实际产品进行结温估算标定，必须满足下面的条件：

二者的负载功率以及控制方法完全相同。

二者的系统热阻参数必须相同，包括散热器，散热器与模块接触热阻，散热风扇的风量等。

二者的IPM必须相同。

实际产品的上述任何参数发生了改变，理论上都要通过样机测试进行重新标定，图7为例我们先标定散热器尺寸和风速模型。

图7.散热器热阻模型标定

然后需要实测散热器的热阻，下图以风冷散热器为例，取几个典型的风速点，待热平衡后，测量散热器表面温度和进风口温度，并计算散热器热阻。

图8.散热器热阻Vs风速曲线

在相同条件下，通过读取Tntc的温度值，同时考虑到风速对散热器热阻的影响，我们可以得到图9的Tj 、VS、Tntc的拟合关系如下：

最低风速   中等风速   最高风速

图9.Tj VS Tntc在不同风速下的拟合曲线

同时结合系统负载，可以得到如图10对应不同Ta条件下的受限于Tjmax的输出功率值（或者负载相电流值），以及Po-limit（Io-limit）vs.Tntc的曲线。

图10.Po-limit（Io-limit）vs. Tntc的曲线

结束语利用测试样机的结温估算结果，可以在批量生产的产品中针对估算得到的经验数据，在不同Ta条件下，根据Tntc检测结果的变化，来设定不同的功率限制值，从而控制Tj不要超过设定Tjmax值，保护IPM不会过热而损坏。

功率达到限制值后的另外选择：提高散热风扇的风速，同时提升输出功率限值到新风速下的新限值，后期我们就可以直接采用Tntc温度来合理评估温度保护何限频（电机转速频率）点。

提前为片上系统建模至关重要。这不仅是为了避免设计成本过高或性能不足的问题，更是为了进行硬件模拟，以便在系统上运行具有代表性的终端用户应用程序。详细的架构建模有助于合理预估性能、功率、内存资源、片上网络所需配置、裸片指导尺寸和可能花费的成本。获得这些信息后，客户可以决定是继续推进当前设计，还是调整甚至取消当前设计。Sondrel开发了独特的专有建模流程软件，最初用于搭配Arm®和Synopsys®工具使用，将建模时间由几个月大幅缩减到了几天——在这方面，Sondrel自认是行业排名第一的服务机构。

“在发展迅猛的电子系统世界，上市时间至关重要。而且，芯片设计成本可能高达数百万美元。我们一直在不断开发新的方法，帮助我们的客户在这场竞争中掌握巨大优势，”Sondrel首席执行官Graham Curren解释道，“我们广博的内部研发项目为设计转成品服务提出了大量创新想法，这套加强版架构建模工具只是其中之一。我们可以通过这套架构建模，快速地为客户提供他们在启动项目时所需的一切信息，让他们对各个方面都了如指掌，包括每个经过测试的封装裸片成本。我们相信，我们是唯一一家能够为构建复杂设计提供如此全面信息的服务机构。我们提供的信息之详细、速度之快，是我们的竞争对手无法企及的。而且，如果我们能同时运用这套建模工具和架构未来IP预设平台为客户的设计服务，我们就能帮助客户更大幅度地减少时间、风险和成本。”

建模工具可以作为主要供应商提供的标准项目，但Sondrel所做的是用自己的定制流程来包装供应商的产品。 供应商工具的自动化程度和调整灵活程度都很有限，但Sondrel的全新建模流程工具搭载了更多设置选项，负责项目的Sondrel系统架构师可以自行调整这些设置。供应商可以利用钩子函数将Sondrel的全新建模流程工具整合到相关用途的软件中。通常情况下，如果不断壮大的现有封装器库中没有封装器适合当前正在推进的设计，那么用户就会针对他们的设计定制封装器。然而，Sondrel根据为众多客户推进各式各样项目的经验，制定了一套适用范围更广的独特方法和流程，可以用于几乎所有架构探索项目。

这套建模流程大幅减少了建模和运行模拟所需的时间。如此一来，Sondrel只需几天时间，即可告知客户其设计的ASIC可能具有的性能表现，帮助客户确定设计的架构给出的数据是否合适。如果存在问题，客户可以通过更改现有模型设置，轻松快速地运行多个模型的“变体”，从而判断哪个模型最适合其应用用例。每个变体所需的运行时间为几分钟到一小时，因此建模和运行变体的整套流程依然可以在相同的时间内完成。

如果没有Sondrel建模流程工具，建模将严重依赖静态的电子表格，这需要花费长达数周的时间。随后，客户还需要尝试各个模型变体，评估不同的架构，而每个模型变体都需要从零开始建模，耗费长达数周的时间。总体而言，在没有这套建模流程工具的情况下，一整套流程可能需要耗费数月。

关于Sondrel

Sondrel成立于2002年，是集成电路各阶段设计方面值得信赖的合作伙伴。其在定义和设计专用集成电路方面的咨询能力屡获殊荣，为其将设计转化为经过测试的批量封装芯片的一站式服务提供了有力补充。整个供应链流程的单点联系，确保风险低，上市时间快。Sondrel总部位于英国，其通过在中国、印度、法国、摩洛哥和北美的办事处，为全球客户提供支持。更多信息，请访问www.sondrel.com

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要查看《Methods》杂志的每一期内容，包括有关人工智能的最新一期的更多资讯，请访问https://eng.info.mouser.com/methods-ezine/。

作为全球授权分销商，贸泽电子库存有丰富的半导体和电子元器件，并积极引入原厂新品，支持随时发货。贸泽旨在为客户供应全面认证的原厂产品，并提供全方位的制造商可追溯性。为帮助客户加速设计，贸泽网站提供了丰富的技术资源库，包括技术资源中心、产品数据手册、供应商特定参考设计、应用笔记、技术设计信息、设计工具以及其他有用的信息。

关于贸泽电子 (Mouser Electronics)

贸泽电子隶属于伯克希尔哈撒韦集团 (Berkshire Hathaway) 公司旗下，是一家授权电子元器件分销商，专门致力于向设计工程师和采购人员提供各产品线制造商的新产品。作为一家全球分销商，我们的网站mouser.cn能够提供多语言和多货币交易支持，分销超过1100家品牌制造商的500多万种产品。我们通过遍布全球的27个客户支持中心，为客户提供无时差的本地化贴心服务，并支持使用当地货币结算。更多信息，敬请访问：http://www.mouser.cn。

Vishal GOYAL，意法半导体南亚及印度技术营销经理

简介

随着对附加传感器、智能显示器以及与外界联系能力的需求不断加强，设备和机器朝着更智能的方向发展。伴随这些功能而来的是复杂度增加。由于设备出现故障时，需要打开设备或连接到端口进行问题诊断，这会造成防水难度增加、产品成本和设备的维修成本增加等多重局限。很多时候，由于成本或结构尺寸因素，设备无法使用专用显示器。本文将讨论智能设备中的一些问题，以及为什么越来越多地使用低功耗蓝牙（BLE）来解决这些问题。

低功耗蓝牙（BLE）

低功耗蓝牙（BLE）是一种无线个人区域网络技术，广泛用于智能设备。随着蓝牙技术联盟（SIG）采用了此项技术，BLE成为蓝牙技术和生态系统的组成部分。如今，几乎所有智能手机及其智能配件（如可穿戴手环、手表、健身设备等）均可使用该技术。

根据ABI Research的预测，从2020年到2024年，单模BLE市场有望实现3倍增长，累计出货量将达到75亿。单模BLE设备是指那些只有BLE且不与经典蓝牙结合使用的设备。这种惊人增长的原因是超低的电流消耗、更快且更安全的连接、更低的成本及更小的芯片尺寸。

BLE不仅可用于小型智能设备和具有用户操作界面的设备，而且越来越多地用于与最终用户关系无关的用途。许多情况下，BLE成为制造商生产设备的一部分。

本文将主要关注对制造商或服务提供商至关重要的用例。

应用案例

1.轻松定制

具有特定额定功率的LED驱动器电源可用于驱动各种配置的LED。LED的参数可能各不相同。为每种类型的LED或配置制作专用电源效率非常低。同样，传感器节点安装在室内、室外或其他位置时可能需要不同的配置。很多时候，用户可用的机器或设备中的菜单选项或界面也可能需要定制。

如果制造商为这些设备添加BLE接口，可实现批量生产并在部署阶段实现定制。另外，还可避免对有线接口的需求，因为有线接口不仅昂贵，还会限制设备或机器的其他功能和美感。

2.服务和维护

制造商的另一个主要关注点是有效且经济地提供产品的服务和维护。在传统方法中，当产品出现故障或需要帮助时，用户需要将产品带到服务中心或由服务人员提供上门服务。大多数情况下，需要打开产品进行问题诊断或识别。一些产品配备有线接口，但其工作方式复杂且需要配合使用复杂的诊断设备。

如果产品自带BLE连接，服务工程师可以通过手机上的特定应用程序或特定诊断设备无线访问设备。还可为用户提供远程支持，利用应用程序连接设备并与维护工程师建立远程连接。

BLE还可为最简单的设备启用预测性维护功能。这些设备可以将机器参数和传感器数据发送至BLE连接的智能手机应用程序。应用程序则可将数据上传至云端进行数据分析，以便在故障之前识别问题。

3.固件升级

智能设备和机器的另一个关键要求是出厂后固件的升级能力。固件升级的原因多种多样。下面列出固件升级的部分原因

-已发布代码中的错误修复

-现有产品的改进

-现有代码损坏

-更改用户设置

如上一节所述，固件升级也是服务和维护的重要组成部分。BLE作为补充技术主要用于Sigfox和LoRa等低功耗广域网络（LPWAN）。由于这些技术针对远程低数据速率进行了优化，因此从固件升级和可维护性的角度来看，BLE更利于其应用。

BLE可实现固件无缝升级。BLE能充当手机和中央控制器或处理器之间的隐形桥梁，并允许代码映像文件从智能手机传输到处理器的空内存或专用内存。新的代码映像文件可以直接从云端推送至智能手机应用程序。某些情况下，还可以使用智能手机以外的专用网关设备进行固件升级。

4.远程读取

在许多设备中，制造商想要获取设备的使用数据并向客户收取相应费用。如今，客户使用的设备可以按使用量付费而非预付费用，即TaaS或物即服务。典型设备包括电能表、太阳能逆变器、净水器等。

电能表是一个典型示例，其使用光端口读取是一个非常复杂且慢长的过程。许多计时表的读数都不易获取。

此类公用事业仪表和电器中植入BLE可使维护工程师能够非常轻松地收集仪表读数。服务提供商还可以让消费者使用他们的应用程序收集读数并推送至云端。

5.简化的HMI

如上文所示，BLE使人机界面变得非常简洁。在我们讨论的用例中，用户使用的和BLE连接的可以不是专用设备，移动电话的屏幕就可以成为交互的显示设备。在某些工业设备中，也可以使用其他类型的集成显示器或平板电脑。显示器与主机分离有几个优点。不仅节省了设备的成本和资产折损，而且还能在不升级整个设备的情况下升级接口。手机应用程序的升级足以改变用户体验或服务体验。

BlueNRG的设计灵活性

Bluetooth®低功耗设备可以通过三种方式集成到智能设备和机器中

-网络处理器

-数据泵

-应用处理器

下面列出了每种模式的详细信息：

网络处理器模式：蓝牙应用程序在系统的主微控制器或微处理器内运行，而蓝牙协议栈驻留在蓝牙网络处理器IC内，处理来自微控制器或处理器的HCI/ACI命令。HCI/ACI命令是蓝牙SIG或制造商定义的标准命令，用于与蓝牙主机或控制器交互。

在此模式下，蓝牙网络处理器IC无需编程，所有应用程序均驻留在主控制器或处理器中。

数据泵模式：蓝牙处理器充当中央控制器或处理器与外界的隐形接口。主控制器或处理器将数据推送至串行总线，如：UART或SPI。此信息由蓝牙处理器内部的应用程序代码进行解释，以便进一步处理和通信。

在这种模式下，主控制器或处理器端不要求具有蓝牙的编程能力，只需要给蓝牙处理烧录相应程序，并保持UART/SPI接口两端通讯正常即可。

应用处理器模式：作为唯一的单片架构，蓝牙处理器是系统的主控制器。蓝牙处理器不仅管理蓝牙通信，还管理其他外围设备，如：传感器、LED、按钮、存储器等，主要用于较简单的设备和小装置。

意法半导体的BlueNRG系列设备可在单个设备中支持全部的三种模式，使客户在设计过程中能够进行灵活选择。甚至可以在设备出厂后通过固件升级在网络处理器和数据泵选项之间切换。

BlueNRG在设计灵活性方面的另外一大优势是该模块的配置。BlueNRG模块配备了板载天线、晶体和RF巴伦，从而提供了一种可靠的解决方案，确保快速上市。该解决方案经过蓝牙认证专家（BQE）认证，同时还通过了RED、IC和FCC认证，可确保快速集成到最终应用中。

为什么低功耗蓝牙如此受欢迎？

如前所述，根据ABI Research（2020）预测，预计到2024年，单模蓝牙LE设备的累计出货量将达到75亿颗。由于生态系统和技术方面的原因，蓝牙技术广受欢迎

-便携式设备之间使用标准连接

-睡眠电流消耗小于 1uA，适合电池供电设备

-蓝牙5.0支持三种不同的PHY，可在范围和数据速率之间选择最佳优化权衡

-能够在Mesh网络中建立连接

-采用先进的加密引擎和配对机制等。

意法半导体推出第三代蓝牙低功耗设备BlueNRG-LP，不仅支持上述功能，而且是全球首款支持128并发连接的设备。同时采用了固件认证技术以提高代码信息的安全性，通过验证固件的合法性只允许具有合法签名的固件程序在芯片上运行。

结论：

本文中讨论的BLE不仅是将配件连接到智能手机的首选技术，同时还增强了设备的可维护性、诊断能力、固件能力和美感。这也促成了TaaS等新业务模式的出现。持续创新使BLE成为首选技术，意法半导体将不断为客户提供最前沿的创新技术。