將電流傳感器集成到EV用SiC功率模塊中

功率半導體研究實(shí)驗室 Silicon Austria Labs （SAL） 完成了將電流傳感器集成到電源模塊中的概念驗證，該模塊旨在用于電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器和 DC-DC 轉換器。

該實(shí)驗室表示，這項技術(shù)可以提高效率，同時(shí)減小牽引逆變器和其他基于下一代碳化硅 （SiC） 功率器件的超大電流電力電子設備的尺寸和重量。新功率模塊的核心是由 Asahi Kasei Microdevices 設計的非接觸式、無(wú)磁芯電流傳感器。新芯片取代了當今許多電動(dòng)汽車(chē)中部署的基于磁芯的電流傳感器。

兩家公司在 PCIM 2025 上展示了具有集成電流傳感功能的新型功率模塊。

牽引逆變器中的精密電流傳感

牽引逆變器是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，是高壓電池組和動(dòng)力總成之間的橋梁。它在將電池中的直流電轉換為用于為電機供電的三相交流電方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。

為了確保在不同的駕駛條件下（如制動(dòng)、加速以及低速和高速行駛）平穩高效地進(jìn)行控制，在寬動(dòng)態(tài)范圍內進(jìn)行精確的電流傳感是必不可少的。但當今電動(dòng)汽車(chē)中常用的電流傳感器往往又大又重，或者需要物理接觸。

如今，稱(chēng)為母線(xiàn)排的層壓金屬薄條用于將大量電流從電池組分配到牽引逆變器和電動(dòng)汽車(chē)引擎蓋下的所有其他電力電子設備。為了測量流經(jīng)它們的電流，金屬環(huán)在母線(xiàn)上滑動(dòng)以充當磁芯，電流在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)。通常，基于霍爾效應的非接觸式電流傳感器放置在磁芯的一個(gè)小槽中，以測量磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與流經(jīng)母線(xiàn)的電流成正比。

實(shí)現無(wú)芯化，以最大限度地減少空間和重量

SAL 表示，它使用了 AKM 最新的基于霍爾的無(wú)芯電流傳感器，以顯著(zhù)節省空間和重量。電流傳感器能夠處理非常大的電流 — 高達幾千安培或千安 — 而無(wú)需磁芯。它還具有高分辨率（約 1 ARMS），即使在高達數百安培的電流下也是如此。

此外，該器件可精確測量小電流，即使在部分負載下也能實(shí)現高效率。新型電流傳感器 IC EZ232L 具有寬帶寬和高精度，可以直接放置在進(jìn)出電源模塊的母線(xiàn)下方。

這種集成還使得功率模塊可以使用標準印刷電路板 （PCB） 來(lái)實(shí)現。在許多情況下，EV 功率模塊中的 SiC MOSFET 使用直接銅鍵合 （DCB） 安裝在陶瓷基板上。

這些陶瓷基板因其電氣隔離、高導熱性和強大的功率處理能力而廣受歡迎。但它們的成本更高。SAL 表示，它使用 DCB 將每個(gè) SiC 功率 MOSFET 封裝在陶瓷基板上，然后將三個(gè)陶瓷封裝的功率器件連接到標準 PCB，而不是整個(gè)模塊使用陶瓷基板。據 SAL 稱(chēng)，這可能有助于降低成本。

“設計的功率模塊提供了一種一體化解決方案，集成了最新的直接銅鍵合功率半導體以及柵極驅動(dòng)電路和電流傳感功能。該模塊使用標準 PCB 和現成的組件，為中小批量生產(chǎn)提供了靈活性和成本優(yōu)勢，“SAL 電力電子部門(mén)的團隊負責人之一 Thomas Langbauer 說(shuō)。

SiC 的影響

SiC 在 EV 牽引逆變器中發(fā)揮著(zhù)不可或缺的作用。與傳統 IGBT 相比，基于 SiC 的功率 MOSFET 可以在更快的開(kāi)關(guān)頻率下工作，快速導通和關(guān)斷以產(chǎn)生更平滑的交流信號，從而提高電動(dòng)汽車(chē)電機的效率。

更快的開(kāi)關(guān)速度還可以通過(guò)縮小電源中的變壓器、電感器、電容器和其他無(wú)源器件來(lái)幫助提高功率密度。此外，SiC MOSFET 具有較低的反向恢復電荷 （Qrr），并且比硅 IGBT 更有效地處理高溫。

雖然 SiC 可以顯著(zhù)降低尺寸、重量和系統級成本，但它仍然比傳統硅更昂貴。因此，集成和打包方面的進(jìn)步將是擴大其優(yōu)勢的關(guān)鍵。

“我們預計集成無(wú)芯電流傳感器技術(shù)的功率模塊將有助于實(shí)現更小、更輕的 [EV] 牽引逆變器，”AKM 電流傳感器業(yè)務(wù)部總經(jīng)理 Toshinori Takatsuka 指出。