本文主要介紹傳感器在功率模塊中的運(yùn)用以及特性,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。它為用戶帶來附加的保護(hù)功能,同時(shí)減小了模塊的體積。
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:在傳動應(yīng)用中),并且還可以起到保護(hù)器件的作用。電機(jī)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(hù)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(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(bǔ)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?yàn)檫@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(bǔ)償電流一起運(yùn)作。該電流抵消傳感器核心內(nèi)測量電流的磁場。補(bǔ)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。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(jì)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(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(shí)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?yàn)榕c過去的IGBT允許10μs的短路時(shí)間相比,新一代IGBT只允許6μs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(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(hù)目的。該方法對于短路保護(hù)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(hù)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(diǎn)。配合適合的監(jiān)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(hù)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(hù)的能力。事實(shí)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。
對不同位置傳感器所帶來的影響進(jìn)行了一項(xiàng)研究。該模塊沒有銅底板,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(dǎo)體直接相連,到傳感器B)和C)在模塊內(nèi)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(jié)(j)到傳感器(r)熱阻Rth(j-r)。
用于過熱保護(hù)的斷路電平可在準(zhǔn)靜態(tài)條件為每個(gè)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(gè)很大的優(yōu)勢。
