工业场景中的NTC、压力传感、电容器应用

电子发烧友网报道（文/李宁远）工业领域有很多传感器的应用，温度传感、压力传感、湿度传感等等。而且由于工业领域较为严苛的环境对传感器的性能也提出了很多挑战，比如NTC传感器既需要在高温环境下进行温度测量，还需要可靠地完成电路保护功能。
 
在工业场景中，这些各样的传感器发挥出了怎样的效果，又有哪些需要注意的地方呢？
 
工业NTC应用
 
从工业应用角度来说NTC的应用可以说非常广，比如说一些电源转电路、UPS、驱动器、控制柜以及火灾探测器等等。在电源转换里边的话，比较常见的就IGBT分布式温度监测。因为采用IGBT、MOSFET这些装置的电源转换涉及AC/DC、DC/DC、DC/AC这些过程时会发热，这些热量都需要进行监测避免IGBT、MOSFET因过热损坏。
 
在分布式IGBT温度监测里，最常见的NTC应用就是安装在PCB板的散热片上，这种安装方式非常简单，采用螺丝固定即可。一般这种应用里都采用旋入式的NTC，部署起来很轻松，前端固定好螺丝环后后端还能根据导线长度做定制化传感器设计。在这种应用里，NTC需要使用金属标签外壳进行密封以确保NTC良好的热耦合。一般来说这种NTC 125℃的耐高温性能可以适配多数应用，但是如果工业场景有更严苛的高温要求就需要强化传感器探头。
 
结合实际用例，场景会对温度监测有一些不同的需求。比如在UPS系统中，则至少需要NTC监控3个位置的温度，一个是在散热片出监测整流器和逆变器的温度；二是在BMS中监控BMS温度情况，这里尤其要监测锂离子电池，因为锂离子电池不耐热，几乎要监测每个电池的温度确保BMS不会过热；三是在机柜内部监测整个UPS系统的温度，具体需要使用的NTC数量则根据UPS大小而定了。
 
在这种电源转换应用里，模块化趋势很明显，为了顺应这一趋势NTC在设计制造上也有很多需要注意的地方。首先工艺上，就必须采用烧结和键合的半导体工艺将片状NTC连接到板上。为了增强NTC的热性能，有些厂商还会采用丝印技术来进行镀层保证在工业高温中期间能保证可靠性。这种可键合的片状NTC可以直接安装到IPM中测量IGBT附近的温度，而且因为是直接连接到板上，热耦合性能也很优秀。
 
工业领域的压力传感
 
另一大传感应用类别是压力传感器，有很多的工业应用采用液压设备或者气动设备，这些设备里边如何来控个气体的压力以及流体的压力都需要压力传感器。硅压阻式压力传感元件是工业场景里经常使用的压力传感，工作原理其实就是一个惠斯通电桥，当气体或者流体的压力作用在这个元件膜片上使膜片变形的时候，几个电阻产生形变，导致输出各不一样，通过输出的大小然后来判断这个压力的大小。
 
压力的测量分很多种，有的测表压，有的测背面绝压，有的测正面绝压，每种测量类型都有着不同的测量范围。需要注意的是有些被测体是具有腐蚀性的，这时候就要选择充油芯体，也就是把芯片封装在充油芯体里边，再把整个芯体做成压力传感器，以避免元件直接接触腐蚀被测体导致损坏。这里其实也关系到关衬底玻璃的选择，测表压，测背面绝压，测正面绝压需要选择的衬底玻璃的选择都不一样。
 
压力传感器的过压能力是很直观的性能体现，为了增强过压能力，可以通过缩小空穴体积或者增大硅玻键合面积来实现。这一提升是很明显的，有时候能将器件的过压能力提升一倍。
 
铝电解电容的工业变频器应用
 
工业领域里变频器的使用可以说随处可见，既能达到节能的目的，也能减少电机的损耗，从而提高电机的寿命。变频器的逆变部分，在调制时会产生较大纹波，调制过程中的能量吸收和释放需要DC-LINK足够的电容量支撑。
 
铝电解电容是工业变频器中常见的选择，我们知道在电容家族里有各种各样的电容，而铝电解电容最大的特点就是单位体积容量最大，并且单位容量成本最低，这两个特点使它成为工业变频器的首选。需要注意的四核变频器电容额定电压需要预留安全余量，一般会预留5%到10%，有些在峰值的基础上加50V甚至更高。
 
伺服变频器与通用变频器类似，但是由于伺服变频器更快更准的响应，它需要更大的过载能力要求。因此用于伺服变频器的铝电解电容的额定电压会比同类型通用变频器更高，这个要求在业内称为快速充放电要求。当前业界对快速充放电没有一个通用的标准，但是基本上都会要求满足下面几个条件，对于牛角型电容器，充放电电压的压差要到150V，频率6Hz，要能满足5000 万次循环，对于螺栓型电容压差也是要到150V，频率3Hz，满足2000万次循环。简单来说，通用变频器220V下使用的铝电解电容要求在400V，而同情况下伺服需要要求在450V。
 
小结
 
流程行业拥有大量依赖于传感器才能正常运行的机器或系统和互连设备的集群，工业应用中的传感器起着至关重要的作用。这些传感器的选取需要考虑到工业环境中严苛的要求，足够可靠的传感器才能消除工厂流程中的盲点，从而实现高质量生产。