功率模塊中傳感器的應用

摘要：IPM內的集成傳感器在寬范圍運行條件下保護像SKiiP這樣的功率模塊。配備合適的評估電路，它能作為一個(gè)協(xié)同效應為過(guò)程控制提供高質(zhì)量的信息。這可以節省空間、成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間。通過(guò)外部觀(guān)測器，可用傳感器信號的聯(lián)合可填補應用中特定保護的空隙。
如今，運行參數監測已成為功率模塊的一個(gè)組成部分。在功率模塊中，溫度傳感器已或多或少地成為標準配置，甚至連電流傳感器也正越來(lái)越廣泛被采用。事實(shí)上，與外置傳感器解決方案相比，集成傳感器是更具有成本效益的解決方案，它為用戶(hù)帶來(lái)附加的保護功能，同時(shí)減小了模塊的體積。

電流傳感器

如果一個(gè)功率模塊配備了電流傳感器，其信號主要是用作輸出電流控制（例如：在傳動(dòng)應用中），并且還可以起到保護器件的作用。電機控制的需求確定電流傳感器的特性。在許多情況下，故障（包括溫度漂移）都必須低于1 ... 2%。對溫度（-40℃～125℃）和低電流損耗的要求是通過(guò)功率模塊自身來(lái)設定的。器件保護功能設定過(guò)流能力（最大短路電流為額定電流的5倍），上限截止頻率（> 100kHz）。

對于中低功率器件，使用電流分流器是一個(gè)精確且低成本高效率的解決方案。電流限額約為30A～40A。不足之處是有額外的功率損耗，并且如果分流器用于測量發(fā)射極電流，將會(huì )失去隔離且IGBT柵極信號中存在干擾。

對于高性能和大功率半導體模塊，一般使用電氣隔離的傳感器。無(wú)補償電流的純霍爾效應傳感器在誤差和溫度穩定性方面的性能較差。傳感器可用在用戶(hù)指定的模塊中，因為這些模塊中的需求定義的很清楚。具有高線(xiàn)性度和低溫度漂移的傳感器與補償電流一起運作。該電流抵消傳感器核心內測量電流的磁場(chǎng)。補償電流放大器的控制信號由霍爾效應、磁場(chǎng)或磁阻探頭提供。

對于像賽米控SKiiP系統這樣的智能功率模塊（IPM），由于最終應用對于高性能的要求，使用高精度的傳感器是最合適的。在最終應用中，傳感器直接集成在模塊的外殼中，環(huán)繞主端子以節省空間（圖1）。用于信號監測和轉換的評估電路是驅動(dòng)器電路的一部分。特殊設計的ASIC芯片保證高集成度和高可靠性，這在采用外部傳感器的方案中是難以實(shí)現。

在IPM內部，電流監測電路與驅動(dòng)器電路直接相連。它可以在最短時(shí)間內檢測到外部短路，并且可在2～3µs內關(guān)斷功率半導體。未來(lái)，這一特性將變得越來(lái)越重要，因為與過(guò)去的IGBT允許10 µs的短路時(shí)間相比，新一代IGBT只允許6 µs的短路時(shí)間。

電壓源逆變電路AC端子處的電流傳感器不能檢測到逆變橋內的短路。這里，通過(guò)監測VCE(sat)，處于開(kāi)態(tài)的半導體的斜率電阻用于保護目的。該方法對于短路保護是足夠的，但并不適合電流的測量。

圖1：AC端子集成了電流傳感器的SKiiP功率模塊

溫度傳感器
對于器件保護而言，有幾種溫度傳感器可供使用。這些傳感器具有負溫度系數（NTC）或正溫度系數（PTC）。標準工業(yè)模塊中使用最多的是NTC傳感器。賽米控使用自己的硅芯片傳感器SKCS，該傳感器為PTC特性、具有線(xiàn)性度高和誤差小的特點(diǎn)。配合適合的監測電路，諸如SKiiP的IPM提供一個(gè)模擬輸出信號用于溫度測量和故障率低于5°C的保護功能。

傳感器在模塊內的位置在很大程度上影響其溫度保護的能力。事實(shí)上，在這方面傳感器的位置比傳感器的誤差更重要。如果硬件斷路電平由驅動(dòng)器或控制電路設置，則尤為如此。

圖2：功率模塊內有關(guān)不同溫度傳感器位置的案例研究；模型和溫度模擬