功率模块中传感器的应用

摘要：IPM内的集成传感器在宽范围运行条件下保护像SKiiP这样的功率模块。配备合适的评估电路，它能作为一个协同效应为过程控制提供高质量的信息。这可以节省空间、成本和开发时间。通过外部观测器，可用传感器信号的联合可填补应用中特定保护的空隙。
    如今，运行参数监测已成为功率模块的一个组成部分。在功率模块中，温度传感器已或多或少地成为标准配置，甚至连电流传感器也正越来越广泛被采用。事实上，与外置传感器解决方案相比，集成传感器是更具有成本效益的解决方案，它为用户带来附加的保护功能，同时减小了模块的体积。

电流传感器

如果一个功率模块配备了电流传感器，其信号主要是用作输出电流控制（例如：在传动应用中），并且还可以起到保护器件的作用。电机控制的需求确定电流传感器的特性。在许多情况下，故障（包括温度漂移）都必须低于1 ... 2%。对温度（-40℃～125℃）和低电流损耗的要求是通过功率模块自身来设定的。器件保护功能设定过流能力（最大短路电流为额定电流的5倍），上限截止频率（> 100kHz）。

对于中低功率器件，使用电流分流器是一个精确且低成本高效率的解决方案。电流限额约为30A～40A。不足之处是有额外的功率损耗，并且如果分流器用于测量发射极电流，将会失去隔离且IGBT栅极信号中存在干扰。

对于高性能和大功率半导体模块，一般使用电气隔离的传感器。无补偿电流的纯霍尔效应传感器在误差和温度稳定性方面的性能较差。传感器可用在用户指定的模块中，因为这些模块中的需求定义的很清楚。具有高线性度和低温度漂移的传感器与补偿电流一起运作。该电流抵消传感器核心内测量电流的磁场。补偿电流放大器的控制信号由霍尔效应、磁场或磁阻探头提供。

对于像赛米控SKiiP系统这样的智能功率模块（IPM），由于最终应用对于高性能的要求，使用高精度的传感器是最合适的。在最终应用中，传感器直接集成在模块的外壳中，环绕主端子以节省空间（图1）。用于信号监测和转换的评估电路是驱动器电路的一部分。特殊设计的ASIC芯片保证高集成度和高可靠性，这在采用外部传感器的方案中是难以实现。

在IPM内部，电流监测电路与驱动器电路直接相连。它可以在最短时间内检测到外部短路，并且可在2～3µs内关断功率半导体。未来，这一特性将变得越来越重要，因为与过去的IGBT允许10 µs的短路时间相比，新一代IGBT只允许6 µs的短路时间。

电压源逆变电路AC端子处的电流传感器不能检测到逆变桥内的短路。这里，通过监测VCE(sat)，处于开态的半导体的斜率电阻用于保护目的。该方法对于短路保护是足够的，但并不适合电流的测量。

图1：AC端子集成了电流传感器的SKiiP功率模块

温度传感器
    对于器件保护而言，有几种温度传感器可供使用。这些传感器具有负温度系数（NTC）或正温度系数（PTC）。标准工业模块中使用最多的是NTC传感器。赛米控使用自己的硅芯片传感器SKCS，该传感器为PTC特性、具有线性度高和误差小的特点。配合适合的监测电路，诸如SKiiP的IPM提供一个模拟输出信号用于温度测量和故障率低于5°C的保护功能。

    传感器在模块内的位置在很大程度上影响其温度保护的能力。事实上，在这方面传感器的位置比传感器的误差更重要。如果硬件断路电平由驱动器或控制电路设置，则尤为如此。

图2：功率模块内有关不同温度传感器位置的案例研究；模型和温度模拟

    对不同位置传感器所带来的影响进行了一项研究。功率模块的一个模型如图 2所示。该模块没有铜底板，安装在一个风冷铝散热器上。不同传感器的热耦合不同，从传感器A）在同一铜层上与功率半导体直接相连，到传感器B）和C）在模块内不同位置进行隔离，到放置在散热器上模块旁的传感器D）。由于不同的热耦合，每个传感器有不同的结（ j ）到传感器（r）热阻Rth(j-r)。

    用于过热保护的断路电平可在准静态条件为每个传感器设定。例如，如果Tj 不能超过140°C，则所研究案例系统的“过热关断”断路电平将从120°C（传感器A）、110°C（传感器B）、100°C（传感器C）至70°C（传感器D）不等。源和传感器之间的耦合越好，冷却系统的影响越低。这是集成解决方案的一个很大的优势。

    不过，对于其他冷却条件（散热材料和根基厚度、冷却介质、导热硅脂厚度），断路电平不得不设定为新的值。这使得IPM的制造商很难为任意给定的应用将过热断路电平设定至一个适当值。为此，传感器信号应由外部上位控制器进行监测，并且如果需要的话，热保护电平应与冷却系统相匹配。

    为显示冷却系统所产生的影响，导热硅脂层的厚度由原来的50 µm增加至100 µm。由于传感器A与功率半导体有着最佳的热耦合，因此可以看出对Rth(j-r) 的影响最低，其值只增加了3%。 传感器B和C的Rth(j-r) 值增加了 7…8%。冷却系统对传感器D的Rth(j-r)影响最大，其值的增加超过 25%。

    另一个问题是温度传感器是否能够在短时过载的情况下保护功率半导体。每个传感器对结温升高做出反应的时间存在延迟，该延迟与传感器的位置相关。这一特性由热阻抗Zth(j-r)来描述。它的表现与期望的不一致（见图3）。Zth(j-r)与结到散热器的热阻抗Zth(j-s)（直接在芯片下）的比较表明 在一秒钟之后系统的结-散热器热阻抗已达到稳态条件，而系统的结-传感器则需要100秒才能到达稳态。其中的原因是散热器内部存在热扩散。

图3：结（ j ）到不同位置传感器（rX ）和散热器的热阻抗

    对于每一个功率半导体，其静态功耗Ptot的最大值是指定的。对于示例中的从50% Ptot至200% Ptot的过载跳变，半导体将一段时间后过热。传感器A将在0.19s后达到其120°C的断路电平，提供可靠的设备保护并将结温保持在约150°C。由传感器B和C提供保护的设备的结温将处在160 °C至170°C这样一个危急的范围内；在这些情况中，传感器需要0.3…0.4s达到断路电平。取决于器件的特性，这可能意味着已经超过了数据手册中规定的限额。传感器D的反应时间超过1秒，因此无法保护设备。对于过载非常高且启动温度低的情况，温度传感器不能提供任何适当的保护。

    有关不同温度传感器位置优缺点的概述在表1中列出，由于有隔离，位于B位置的传感器如今是首选的方案。如果未来驱动器带保护电路并且信号在驱动器二次侧进行变换，则可能意味着传感器位置A 也许是更好的解决方案。

集成保护
    如果发生短时过载，设备保护将存在一个空隙。电流传感器的断路值设定为较高值以允许短时过载，比如在电机起动的时候。长期运行在该电流等级下将导致设备过热。在大多数情况下，温度保护元件的反应时间太长而无法检测到这种过热。

    填补这一空白的一种可能的方式是利用电流及温度信号的软件关断。逆变控制器以传感器的温度和电气运行条件为基础计算结温。tp时刻的结温可由下式计算出：

    P0为t=0s 时的功耗，Pover为过载时的功耗。这里，热阻抗Zth(j-r)如数据手册中所述，模拟温度信号Tr也是需要的。

表1：有关不同位置温度传感器是否适合于保护功率半导体的比较。

总结

IPM内的集成传感器在宽范围运行条件下保护像SKiiP这样的功率模块。配备合适的评估电路，它能作为一个协同效应为过程控制提供高质量的信息。这可以节省空间、成本和开发时间。通过外部观测器，可用传感器信号的联合可填补应用中特定保护的空隙。