如今，運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)已成為功率模塊的一個(gè)組成部分。在功率模塊中，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(lái)越廣泛被采用。事實(shí)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(lái)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(hào)主要是用作輸出電流控制（例如：在傳動(dòng)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(duì)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(shè)定的。器件保護(hù)功能設(shè)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(duì)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(cè)量發(fā)射極電流，將會(huì)失去隔離且IGBT柵極信號(hào)中存在干擾。
對(duì)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(wú)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(cè)量電流的磁場(chǎng)。補(bǔ)償電流放大器的控制信號(hào)由霍爾效應(yīng)、磁場(chǎng)或磁阻探頭提供。
對(duì)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(duì)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（圖1）。用于信號(hào)監(jiān)測(cè)和轉(zhuǎn)換的評(píng)估電路是驅(qū)動(dòng)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(cè)電路與驅(qū)動(dòng)器電路直接相連。它可以在最短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到外部短路，并且可在2～3µs內(nèi)關(guān)斷功率半導(dǎo)體。未來(lái)，這一特性將變得越來(lái)越重要，因?yàn)榕c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(cè)到逆變橋內(nèi)的短路。這里，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(duì)于短路保護(hù)是足夠的，但并不適合電流的測(cè)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(duì)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(cè)電路，諸如SKiiP的IPM提供一個(gè)模擬輸出信號(hào)用于溫度測(cè)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(dòng)器或控制電路設(shè)置，則尤為如此。
圖2：功率模塊內(nèi)有關(guān)不同溫度傳感器位置的案例研究；模型和溫度模擬
對(duì)不同位置傳感器所帶來(lái)的影響進(jìn)行了一項(xiàng)研究。功率模塊的一個(gè)模型如圖 2所示。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(guò)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(guò)140°C，則所研究案例系統(tǒng)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(tǒng)的影響越低。這是集成解決方案的一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。
不過(guò)，對(duì)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(guò)熱斷路電平設(shè)定至一個(gè)適當(dāng)值。為此，傳感器信號(hào)應(yīng)由外部上位控制器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(lái)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(duì)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(duì)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(hù)功率半導(dǎo)體。每個(gè)傳感器對(duì)結(jié)溫升高做出反應(yīng)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(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(duì)于每一個(gè)功率半導(dǎo)體，其靜態(tài)功耗Ptot的最大值是指定的。對(duì)于示例中的從50% Ptot至200% Ptot的過(guò)載跳變，半導(dǎo)體將一段時(shí)間后過(guò)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(gè)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(guò)了數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的限額。傳感器D的反應(yīng)時(shí)間超過(guò)1秒，因此無(wú)法保護(hù)設(shè)備。對(duì)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(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(lái)驅(qū)動(dòng)器帶保護(hù)電路并且信號(hào)在驅(qū)動(dòng)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(shí)過(guò)載，設(shè)備保護(hù)將存在一個(gè)空隙。電流傳感器的斷路值設(shè)定為較高值以允許短時(shí)過(guò)載，比如在電機(jī)起動(dòng)的時(shí)候。長(zhǎng)期運(yùn)行在該電流等級(jí)下將導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱。在大多數(shù)情況下，溫度保護(hù)元件的反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)而無(wú)法檢測(cè)到這種過(guò)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(hào)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(shí)刻的結(jié)溫可由下式計(jì)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(shù)據(jù)手冊(cè)中所述，模擬溫度信號(hào)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。