【導讀】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。精確的結溫監測，是釋放SiC性能潛力、保障模塊可靠運行的關鍵。

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。精確的結溫監測，是釋放SiC性能潛力、保障模塊可靠運行的關鍵。

為實現精確檢測，行業正從傳感器技術和算法模型兩大路徑尋求突破：

1. 傳感器路徑：通過革新傳感器技術與安裝工藝，在硬件層面直接提升測溫的準確性和響應速度。

2. 模型與算法路徑：利用熱網絡模型和實時電參數，在軟件層面計算或估算結溫，彌補物理傳感器的不足。

下面的表格梳理了這兩條技術路徑的核心思路與代表性方法：

技術路徑

核心思路

代表性方法

傳感器路徑：硬件革新與安裝工藝優化

在硬件層面，“測量誰” 和 “在哪測量” 同樣重要。

1. 傳感器技術與安裝工藝的革新

傳統熱敏電阻因其焊盤與芯片分離的安裝方式，存在熱響應慢和測量精度不足的問題。為此，業界推出了如村田制作所的 “FTI系列”NTC熱敏電阻。

• 耐高溫與結構化：該產品采用樹脂模塑結構，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境。

• 引線鍵合與精準布局：其最大創新是支持引線鍵合，可用細金屬線直接連接電極。這使得傳感器能被設置在功率半導體芯片附近，大幅減少熱傳遞路徑，從而提升響應速度和測量精度，并節約布板空間。

2. “功率循環測試”模擬真實應力

除了靜態測溫，功率循環測試是評估模塊在真實工作狀態下壽命和可靠性的關鍵手段。該測試通過模擬元件的開關動作，使其反復自發熱和冷卻，從而考核其耐溫度循環的能力。

• 根據開關頻率的不同，應力會集中在不同部位：短時開關（<5秒） 主要考驗芯片及鄰近的焊層；而長時開關（>15秒） 則會對模塊整體（如打線、系統焊接）產生熱應力。

• 在測試中，需要同步監測最大結溫（Tj-max）、熱阻（Rth） 及導通電壓（Von） 等關鍵參數的變化，以全面評估模塊的健康狀態。

模型與算法路徑：從“感知”到“感知與預測結合”

對于車載逆變器等復雜系統，僅依賴物理傳感器是不夠的。尤其是在高環境溫度（如105℃冷卻液） 和高功率密度的設計要求下，結溫的波動更為劇烈。通過模型算法進行在線提取和預測，成為確保系統在安全邊界內運行的重要手段。

1. 基于內置NTC的熱網絡模型法

這是一種有效的在線結溫提取方法。其核心思想是：建立從芯片熱源到模塊內部NTC傳感器之間的精確熱傳導模型。

• 優勢：該模型對模塊外部的散熱條件（如導熱硅脂老化、散熱器性能變化）不敏感，僅關注模塊內部的熱動態，從而在不同邊界條件下都能保持穩定和準確。

• 關鍵挑戰：必須考慮多芯片之間的熱耦合效應。一個芯片產生的熱量會通過襯底橫向傳導，導致其周邊芯片的溫度也升高。研究數據表明，在逆變工作狀態下，忽視熱耦合會使對芯片熱阻抗的估算產生約10%的偏差。

2. 熱敏電參數法

該方法利用半導體器件本身某些電學參數（如導通電阻、閾值電壓）與溫度之間的固有關系，通過測量這些電參數來反向推算出結溫。

• 潛力：被認為是最直接、最具前景的結溫檢測方法之一。

• 瓶頸：目前該方法在實際應用中仍面臨挑戰，例如測量電路可能干擾器件正常運行，以及測量信號易受外部噪聲干擾等。

實現精確高溫檢測的設計要點

綜合以上分析，為實現SiC車載功率模塊的精確高溫檢測，工程師需要在設計中關注以下要點：

1. 傳感器選型與布局是關鍵基礎：優先選擇支持高溫、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。

2. 理解并建模熱耦合效應：在多芯片模塊中，必須在熱模型中考慮芯片間的熱耦合影響，否則會引入顯著的測量誤差。

3. 明確模型邊界條件的重要性：基于NTC的熱網絡模型之所以可靠，在于其將溫度參考點設置在模塊內部，從而隔離了外部散熱系統變化帶來的不確定性。

4. 結溫監測是釋放性能的前提：在追求高功率密度（如47.8 kW/L）和超高環境溫度（如105℃）的設計中，突破結溫在線監測技術是實現主動熱管理和最大化輸出功率的前提。

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