功率模塊中傳感器的應用

摘要：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，它能作為一個協同效應為過程控制提供高質量的信息。這可以節省空間、成本和開發時間。通過外部觀測器，可用傳感器信號的聯合可填補應用中特定保護的空隙。
如今，運行參數監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。

在IPM內部，電流監測電路與驅動器電路直接相連。它可以在最短時間內檢測到外部短路，并且可在2～3µs內關斷功率半導體。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的短路。這里，通過監測VCE(sat)，處于開態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（NTC）或正溫度系數（PTC）。標準工業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器或控制電路設置，則尤為如此。

圖2：功率模塊內有關不同溫度傳感器位置的案例研究；模型和溫度模擬