功率模塊中傳感器的應用

對不同位置傳感器所帶來(lái)的影響進(jìn)行了一項研究。功率模塊的一個(gè)模型如圖 2所示。該模塊沒(méi)有銅底板，安裝在一個(gè)風(fēng)冷鋁散熱器上。不同傳感器的熱耦合不同，從傳感器A）在同一銅層上與功率半導體直接相連，到傳感器B）和C）在模塊內不同位置進(jìn)行隔離，到放置在散熱器上模塊旁的傳感器D）。由于不同的熱耦合，每個(gè)傳感器有不同的結（ j ）到傳感器（r）熱阻Rth(j-r)。

用于過(guò)熱保護的斷路電平可在準靜態(tài)條件為每個(gè)傳感器設定。例如，如果Tj 不能超過(guò)140°C，則所研究案例系統的“過(guò)熱關(guān)斷”斷路電平將從120°C（傳感器A）、110°C（傳感器B）、100°C（傳感器C）至70°C（傳感器D）不等。源和傳感器之間的耦合越好，冷卻系統的影響越低。這是集成解決方案的一個(gè)很大的優(yōu)勢。

不過(guò)，對于其他冷卻條件（散熱材料和根基厚度、冷卻介質(zhì)、導熱硅脂厚度），斷路電平不得不設定為新的值。這使得IPM的制造商很難為任意給定的應用將過(guò)熱斷路電平設定至一個(gè)適當值。為此，傳感器信號應由外部上位控制器進(jìn)行監測，并且如果需要的話(huà)，熱保護電平應與冷卻系統相匹配。

為顯示冷卻系統所產(chǎn)生的影響，導熱硅脂層的厚度由原來(lái)的50 µm增加至100 µm。由于傳感器A與功率半導體有著(zhù)最佳的熱耦合，因此可以看出對Rth(j-r) 的影響最低，其值只增加了3%。 傳感器B和C的Rth(j-r) 值增加了 7…8%。冷卻系統對傳感器D的Rth(j-r)影響最大，其值的增加超過(guò) 25%。

另一個(gè)問(wèn)題是溫度傳感器是否能夠在短時(shí)過(guò)載的情況下保護功率半導體。每個(gè)傳感器對結溫升高做出反應的時(shí)間存在延遲，該延遲與傳感器的位置相關(guān)。這一特性由熱阻抗Zth(j-r)來(lái)描述。它的表現與期望的不一致（見(jiàn)圖3）。Zth(j-r)與結到散熱器的熱阻抗Zth(j-s)（直接在芯片下）的比較表明 在一秒鐘之后系統的結-散熱器熱阻抗已達到穩態(tài)條件，而系統的結-傳感器則需要100秒才能到達穩態(tài)。其中的原因是散熱器內部存在熱擴散。

圖3：結（ j ）到不同位置傳感器（rX ）和散熱器的熱阻抗

對于每一個(gè)功率半導體，其靜態(tài)功耗Ptot的最大值是指定的。對于示例中的從50% Ptot至200% Ptot的過(guò)載跳變，半導體將一段時(shí)間后過(guò)熱。傳感器A將在0.19s后達到其120°C的斷路電平，提供可靠的設備保護并將結溫保持在約150°C。由傳感器B和C提供保護的設備的結溫將處在160 °C至170°C這樣一個(gè)危急的范圍內；在這些情況中，傳感器需要0.3…0.4s達到斷路電平。取決于器件的特性，這可能意味著(zhù)已經(jīng)超過(guò)了數據手冊中規定的限額。傳感器D的反應時(shí)間超過(guò)1秒，因此無(wú)法保護設備。對于過(guò)載非常高且啟動(dòng)溫度低的情況，溫度傳感器不能提供任何適當的保護。

有關(guān)不同溫度傳感器位置優(yōu)缺點(diǎn)的概述在表1中列出，由于有隔離，位于B位置的傳感器如今是首選的方案。如果未來(lái)驅動(dòng)器帶保護電路并且信號在驅動(dòng)器二次側進(jìn)行變換，則可能意味著(zhù)傳感器位置A 也許是更好的解決方案。

集成保護
如果發(fā)生短時(shí)過(guò)載，設備保護將存在一個(gè)空隙。電流傳感器的斷路值設定為較高值以允許短時(shí)過(guò)載，比如在電機起動(dòng)的時(shí)候。長(cháng)期運行在該電流等級下將導致設備過(guò)熱。在大多數情況下，溫度保護元件的反應時(shí)間太長(cháng)而無(wú)法檢測到這種過(guò)熱。

填補這一空白的一種可能的方式是利用電流及溫度信號的軟件關(guān)斷。逆變控制器以傳感器的溫度和電氣運行條件為基礎計算結溫。tp時(shí)刻的結溫可由下式計算出：

P0為t=0s 時(shí)的功耗，Pover為過(guò)載時(shí)的功耗。這里，熱阻抗Zth(j-r)如數據手冊中所述，模擬溫度信號Tr也是需要的。

表1：有關(guān)不同位置溫度傳感器是否適合于保護功率半導體的比較。

總結

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。