功率模塊中傳感器的應(yīng)用

對不同位置傳感器所帶來的影響進(jìn)行了一項(xiàng)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(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(jìn)行監(jiān)測，并且如果需要的話，熱保護(hù)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(hù)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(dá)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(dá)穩(wěn)態(tài)。其中的原因是散熱器內(nèi)部存在熱擴(kuò)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(dá)到其120°C的斷路電平，提供可靠的設(shè)備保護(hù)并將結(jié)溫保持在約150°C。由傳感器B和C提供保護(hù)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(dá)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(hù)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(hù)。

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。如果未來驅(qū)動器帶保護(hù)電路并且信號在驅(qū)動器二次側(cè)進(jìn)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(hù)
如果發(fā)生短時過載，設(shè)備保護(hù)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(jī)起動的時候。長期運(yùn)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(hù)元件的反應(yīng)時間太長而無法檢測到這種過熱。

填補(bǔ)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(yùn)行條件為基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)溫。tp時刻的結(jié)溫可由下式計(jì)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(hù)功率半導(dǎo)體的比較。

總結(jié)

IPM內(nèi)的集成傳感器在寬范圍運(yùn)行條件下保護(hù)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(bǔ)應(yīng)用中特定保護(hù)的空隙。