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(yīng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)定的。器件保護功能設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)、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(yīng)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(yīng)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(shè)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(guān)斷功率半導(dǎo)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(dǎo)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(fù)溫度系數(shù)（NTC）或正溫度系數(shù)（PTC）。標(biāo)準(zhǔn)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(shè)置，則尤為如此。
圖2：功率模塊內(nèi)有關(guān)不同溫度傳感器位置的案例研究；模型和溫度模擬
對不同位置傳感器所帶來的影響進行了一項研究。功率模塊的一個模型如圖 2所示。該模塊沒有銅底板，安裝在一個風(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(dǎo)體直接相連，到傳感器B）和C）在模塊內(nèi)不同位置進行隔離，到放置在散熱器上模塊旁的傳感器D）。由于不同的熱耦合，每個傳感器有不同的結(jié)（ j ）到傳感器（r）熱阻Rth(j-r)。
用于過熱保護的斷路電平可在準(zhǔn)靜態(tài)條件為每個傳感器設(shè)定。例如，如果Tj 不能超過140°C，則所研究案例系統(tǒng)的“過熱關(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(tǒng)的影響越低。這是集成解決方案的一個很大的優(yōu)勢。
不過，對于其他冷卻條件（散熱材料和根基厚度、冷卻介質(zhì)、導(dǎo)熱硅脂厚度），斷路電平不得不設(shè)定為新的值。這使得IPM的制造商很難為任意給定的應(yīng)用將過熱斷路電平設(shè)定至一個適當(dāng)值。為此，傳感器信號應(yīng)由外部上位控制器進行監(jiān)測，并且如果需要的話，熱保護電平應(yīng)與冷卻系統(tǒng)相匹配。
為顯示冷卻系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，導(dǎo)熱硅脂層的厚度由原來的50 µm增加至100 µm。由于傳感器A與功率半導(dǎo)體有著最佳的熱耦合，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(tǒng)對傳感器D的Rth(j-r)影響最大，其值的增加超過 25%。
另一個問題是溫度傳感器是否能夠在短時過載的情況下保護功率半導(dǎo)體。每個傳感器對結(jié)溫升高做出反應(yīng)的時間存在延遲，該延遲與傳感器的位置相關(guān)。這一特性由熱阻抗Zth(j-r)來描述。它的表現(xiàn)與期望的不一致（見圖3）。Zth(j-r)與結(jié)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(tǒng)的結(jié)-散熱器熱阻抗已達到穩(wěn)態(tài)條件，而系統(tǒng)的結(jié)-傳感器則需要100秒才能到達穩(wěn)態(tài)。其中的原因是散熱器內(nèi)部存在熱擴散。
圖3：結(jié)（ j ）到不同位置傳感器（rX ）和散熱器的熱阻抗
對于每一個功率半導(dǎo)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的過載跳變，半導(dǎo)體將一段時間后過熱。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(shè)備保護并將結(jié)溫保持在約150°C。由傳感器B和C提供保護的設(shè)備的結(jié)溫將處在160 °C至170°C這樣一個危急的范圍內(nèi)；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，這可能意味著已經(jīng)超過了數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的限額。傳感器D的反應(yīng)時間超過1秒，因此無法保護設(shè)備。對于過載非常高且啟動溫度低的情況，溫度傳感器不能提供任何適當(dāng)?shù)谋Ｗo。
有關(guān)不同溫度傳感器位置優(yōu)缺點的概述在表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。如果未來驅(qū)動器帶保護電路并且信號在驅(qū)動器二次側(cè)進行變換，則可能意味著傳感器位置A 也許是更好的解決方案。
集成保護
如果發(fā)生短時過載，設(shè)備保護將存在一個空隙。電流傳感器的斷路值設(shè)定為較高值以允許短時過載，比如在電機起動的時候。長期運行在該電流等級下將導(dǎo)致設(shè)備過熱。在大多數(shù)情況下，溫度保護元件的反應(yīng)時間太長而無法檢測到這種過熱。
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(chǔ)計算結(jié)溫。tp時刻的結(jié)溫可由下式計算出：
P0為t=0s 時的功耗，Pover為過載時的功耗。這里，熱阻抗Zth(j-r)如數(shù)據(jù)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(dǎo)體的比較。
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傳感器 A |
傳感器B |
傳感器C |
傳感器D |
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與功率半導(dǎo)體之間優(yōu)異的熱耦合 |
與二極管和IGBT之間可接受的熱耦合 |
與IGBT間的熱耦合可接受，與二極管間的熱耦合不足 |
低熱耦合 |
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快速反應(yīng)時間 |
中等反應(yīng)時間 |
中等反應(yīng)時間，比傳感器B快 |
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外部冷卻系統(tǒng)對Rth(j-r)的影響小 |
外部冷卻系統(tǒng)對Rth(j-r)的有影響 |
外部冷卻系統(tǒng)對Rth(j-r)的影響比傳感器B大 |
外部冷卻系統(tǒng)對Rth(j-r)的影響大 |
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無隔離, 驅(qū)動器側(cè)需要額外的措施 |
基本隔離，需要額外的安全隔離措施 |
基本隔離，需要額外的安全隔離措施 |
安全隔離 |
總結(jié)
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(yīng)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(yīng)用中特定保護的空隙。
