功率模塊中傳感器的應用

摘要：IPM內(nèi)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，它能作為一個協(xié)同效應為過程控制提供高質(zhì)量的信息。這可以節(jié)省空間、成本和開發(fā)時間。通過外部觀測器，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(shù)監(jiān)測已成為功率模塊的一個組成部分。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越廣泛被采用。事實上，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，它為用戶帶來附加的保護功能，同時減小了模塊的體積。

電流傳感器

如果一個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功率模塊自身來設定的。器件保護功能設定過流能力（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。無補償電流的純霍爾效應傳感器在誤差和溫度穩(wěn)定性方面的性能較差。傳感器可用在用戶指定的模塊中，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(nèi)測量電流的磁場。補償電流放大器的控制信號由霍爾效應、磁場或磁阻探頭提供。

對于像賽米控SKiiP系統(tǒng)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(jié)省空間（圖1）。用于信號監(jiān)測和轉(zhuǎn)換的評估電路是驅(qū)動器電路的一部分。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現(xiàn)。

在IPM內(nèi)部，電流監(jiān)測電路與驅(qū)動器電路直接相連。它可以在最短時間內(nèi)檢測到外部短路，并且可在2～3µs內(nèi)關斷功率半導體。未來，這一特性將變得越來越重要，因為與過去的IGBT允許10 µs的短路時間相比，新一代IGBT只允許6 µs的短路時間。

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(nèi)的短路。這里，通過監(jiān)測VCE(sat)，處于開態(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(shù)（NTC）或正溫度系數(shù)（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、具有線性度高和誤差小的特點。配合適合的監(jiān)測電路，諸如SKiiP的IPM提供一個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(nèi)的位置在很大程度上影響其溫度保護的能力。事實上，在這方面?zhèn)鞲衅鞯奈恢帽葌鞲衅鞯恼`差更重要。如果硬件斷路電平由驅(qū)動器或控制電路設置，則尤為如此。

圖2：功率模塊內(nèi)有關不同溫度傳感器位置的案例研究；模型和溫度模擬