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。

圖1 AC端子集成了電流傳感器的SKiiP功率模塊

    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。
   
    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。
   
    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)。

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

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。

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

    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。

    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。