驱动级在线结温估计深度 — TSEP / 集成 ADC / 热模型融合

设计期可以用功耗 + 热阻算稳态 Tj,但车上真实 Tj 会偏离设计值:接触热阻随焊层老化升高、散热器积灰/冷却液流量变化、实际工况比标定更苛刻。要降额/算寿命,必须在线抓真实 Tj。三类方法各有取舍:

• 片上温度传感器 — 模块内置 NTC 或芯片集成温度二极管。离结越近越准,但 NTC 贴基板仍隔焊层(偏差数十 °C + 秒级延迟);芯片集成传感器准但要器件支持
• TSEP — 用器件自身电参数当"温度计",测的就是结附近,瞬态响应快;代价是需在受控条件下采 + 受老化漂移
• 热模型 — 功耗 → RC 网络 → Tj,连续无采样窗;但模型参数(热阻/热容)会随老化漂,需 TSEP 周期校准

最直接的一类:在尽量靠近结的位置放一个温度传感元件。

• 模块内置 NTC — 贴 DBC 基板,成本低、普及;但离结有焊层+芯片热阻 → 稳态偏差 20–40 °C、动态滞后秒级,只够慢热保护,抓不住短路瞬态
• 芯片集成温度二极管/传感器 — 部分功率器件/模块在 die 上集成一个正偏二极管(Vf 随 Tj 降),离结最近;需器件出该引脚
• driver 侧 NTC 读取 — driver IC 集成 ADC 直接读模块 NTC 分压(UCC5870 的诊断 ADC 通道之一),省 MCU 走线

传感器法的根本限制:热阻+热延迟把结的真实温度"低通滤波 + 衰减"了,所以它和 TSEP/热模型互补,不能单用于瞬态保护。

TSEP 的思路:找一个随 Tj 单调、灵敏、可在线测的电参数,先离线标定 参数↔Tj 曲线,在线测该参数即反推 Tj。常用 TSEP 及温度系数方向:

Vds(on) 净温系数的机制(别只说"迁移率降"):SiC Rds(on) 是两段竞争的净结果——沟道电阻随温降(Tj 升 → Vth 降 → 沟道载流子增,负温系)对抗漂移/JFET 区电阻随温升(迁移率降,正温系),净是小正温系数;低 Vgs / 近室温下两段接近抵消,net TC 偏小甚至非单调(对应 SiC 器件 的 ~13V PTC 拐点)——所以 Vds(on) 法必须在高电流 + 高 Vgs 下标定。

自加热误差:Vds(on)(大负载电流)与 Vf(注入感测电流)的测量电流本身在器件上耗散、抬高 Tj,读数偏高于静态真值;标定须用低占空比/小电流压制。Vth 法走栅极采样几乎无自加热——这正是 Vth「灵敏度低但侵入小」对 Vds(on)「灵敏但自加热」的核心取舍。

2026 高端 driver(TI UCC5870、ST STGAP4S)把 ADC 集成进栅极侧,直接采 Vds(on)/Vf/Vth + 片上/模块温度,在隔离障 HV 侧完成测温,数字结果经 SPI/隔离回报,不占 MCU AD 通道、不绕长走线。采样必须卡在导通平台段:

时序要点:

• PWM 开通后 blanking ~几百 ns 跳过 Vds 振铃 + Miller 平台
• 在导通平台采 Vds(on)(配相电流采样归一化);或在续流期注入小感测电流采 body diode Vf
• ADC 转换 + 与温度查表 → Tj 估计,经隔离回 MCU
• 关断瞬态不采(Vds 冲高无意义)

集成 ADC 的好处:HV 侧测、采样窗与 PWM 天然对齐、多 TSEP 融合在芯片内做;代价是 driver 成本↑ + SPI 配置复杂(见 UCC5870 deep)。

TSEP 给的是离散采样点(受导通窗约束),热模型给的是连续外推但参数会漂。两者融合成实时 Tj 观测器:

• 热模型:功耗 $P_{\text{loss}}$(导通 + 开关,driver 可测电流/电压算)经 Foster/Cauer RC 网络 → 连续 Tj
• TSEP:每当采样窗可用,给观测器一个真值锚点,校正热模型的漂移
• 融合:卡尔曼/Luenberger 观测器——热模型做预测(快、连续),TSEP 做更新(准、离散),输出去漂移的连续 Tj

这正是数据中心/航天"模型 + 实测"融合的功率电子版:模型管连续性与瞬态,实测管去漂移与老化。

实时 Tj 是一串上层功能的输入:

• 瞬时降额 — Tj 逼近上限即降 PWM 调制深度/限流,防过温炸管(比固定降额省裕量)
• 寿命计数 — 对 Tj 时间序列做雨流计数提取 ΔTj 循环,喂 Coffin-Manson 模型累积键合线/焊层疲劳损伤 → 剩余寿命 / 预测性维护
• 主动热管理 — 实时 Tj 反馈调冷却(水泵转速/风扇),把器件压在最优温区
• 过温保护(OTP) — TSEP 抓瞬态结温冲高比 NTC 快,作快保护一环(配 安全状态)

在线 Tj 出错几乎都集中在两处:采样条件不对(电流/窗口)和没管老化漂移。逐条:

• NTC 当结温用 — 隔焊层 + 秒级延迟,抓不住瞬态;只配慢保护,瞬态靠 TSEP
• TSEP 不归一化电流 — Vds(on)/Vf 是 V(I,Tj),不锁电流解不出 Tj,温度算错
• 感测/负载电流过大致自加热 — 测量电流本身耗散抬高 Tj,读数偏高于静态真值;标定用低占空比 + 小电流压制(Vth 法几乎无此误差)
• Vds(on) 在低 Vgs/小电流标定 — net TC 可非单调,必须高电流 + 高 Vgs 标定
• 采样窗踩在开关瞬态 — Vds 振铃使读数乱跳,必须 blanking 到平台段
• TSEP 校准不管老化 — 键合线退化/BTI 漂移让 参数↔Tj 曲线移位,需周期重标定
• 只信热模型 — 焊层老化抬热阻,模型参数漂,长期低估 Tj;必用 TSEP 锚点校正