汽车认证的裸片IGBT的单片式电流和温度检测

selinazhang 提交于 周二, 07/18/2017
汽车认证的裸片IGBT的单片式电流和温度检测

作者:Fabio Necco和Roy Davis


安森美半导体的650V汽车认证裸片IGBT针对正在开发汽车牵引逆变器先进方案的电源模块制造商。IGBT产品系列PCGAXX0T65DF8包括160、200和300A型款。单片式温度和电流检测技术可以直接在片上测定结温和集电极发射极电流。与芯片外温度和电流检测相比,这种技术具有数项优点。

本文介绍检测电路,并概述其应用于混合动力汽车/电动汽车(H/EV)牵引逆变器的优势。

H/EV的牵引逆变器需要击穿电压650V范围的功率半导体器件。安森美半导体新的AEC-Q101汽车级认证裸片IGBT产品系列设计用于现时及下一代混合/插电式混合、燃料电池及电池供电的电动汽车。我们将这些汽车简称为H/EV。

安森美半导体的汽车认证的裸片IGBT基于第三代场截止沟槽IGBT技术,并与符合汽车级标准认证的快速软恢复二极管匹配,并具有更多特征和选择,比如改变栅极垫尺寸和位置,以期容纳不同直径的铝线、重新修改裸片的尺寸及定制击穿电压。

安森美半导体提供三种额定电流(160 A、200 A和300 A)、带或不带集成单片式温度和电流检测电路的全新裸片PCGA160T65NF8、PCGA200T65NF8和PCGA300T65DF8 IGBT。确保在结温-40至+175 °C范围内的击穿电压是650V。

裸片IGBT通常由电源模块制造商使用,这些制造商设计自己的H/EV牵引逆变器以实现高水平的功率集成和可靠性,或实现特殊的电源互连。首要目标是将功率限值推进到超出标准模块产品。

功率器件挑战

设计电源半导体时,设计人员面临以下挑战:
● 功率损耗
● 热管理
● 短路、过流/过压和过热保护
● 电流测定

功率损耗受IGBT的VCEon值、开关行为(导通时间和断开时间)及开关频率影响。这些特性受IGBT技术、栅极驱动电路、封装杂散电感及热管理系统的特性所影响。

由于功率损耗只能减少但永远不可能完全消除,因此,热管理的目标是消除半导体损耗产生的热量。消除这种热量的最好方法是改善硅和外界的热传导。最近,用户使用的更先进的电源模块在功率器件的顶部和底部采用烧结技术,并结合双面冷却以改善热传导。

设计人员面临的下一个问题是防止IGBT过热、过压和过流。过压可以通过合适的设计控制电流通路杂散电感的数量,以及控制电流的变化速率进行限制。

过流和过热是使用功率半导体器件时要避免的事件,及时检测过流和过热并做出响应,能够延长逆变器的使用寿命。为了控制电机电流和转矩,电机控制系统要求测定电流。

温度检测

裸片IGBT的单片式集成温度检测通过测定一串多晶硅二极管的正向压降(VF)实现,单片制作在IGBT同一裸片上。由于二极管的VF值与Tj之间具有人们熟悉的线性依赖性(式1和图1),单片式电流检测法证明是测定IGBT结温的最好方法。

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图1-压降VF与结温Tj之间的依赖关系

 

温度传感器要求二极管正向偏置且具有精确的恒定电流,造成的压降必须经接口电路检测和调节。由于温度二极管沿功率器件整片放在硅上,从而与IGBT的高压转换节点电容耦合。

接口电路必须设计用于读取较小的温度依赖VF值,舍弃开关电压,使得信号通过隔离势垒。

现有许多过滤信号并令其通过隔离势垒的方法。一个实例是采用隔离放大器和模拟-数字转换器,并与同步采样相结合,避免捕捉到瞬态噪声尖峰时的样本(安森美半导体正在编制这种接口设计的应用注释)。

电流检测

单片式集成电流检测通过测定与主IGBT并联的小型IGBT的电流,然后将其乘上一个已知的比例因子。IGBT包括经器件顶部的金属化区域并联的数千个单元。小型IGBT代表这些单元的一部分,与其它单元断开,可作为电流镜。

电流检测功能的基本概念如图2所示,独立的发射极连接提供部分主集电极电流(IS),而主集电极与外部电阻(RS)连接。这种连接产生与检测电流成比例的压降。检测电阻电压用于测定电流,并且,在知道主集电极电流(IC)时,可计算出“检测比”(Ratio),该比值通过式2计算。

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图2-电流检测功能的基本概念

 

检测电阻(RS)可被运算放大器电路代替,运算放大器电路设计用于直接放大电流跟随器配置中的检测电流,从而无需检测发射极的偏压。

电流检测比与温度有关,但是,与结温检测结合时,预期这种接口将可提供必要的信息以补偿结温,从而更准确地测定主集电极电流。

校正这种电流依赖性存在一些困难。这导致低电流时准确性受到限制,而低电流被认为是低于电流满量程10%的电流水平。单片式电流检测的主要局限性是低电流时的准确性问题。即将面世的应用注释将提供更多细节。

如上所述,单片式电流检测可以用于H/EV逆变器的各种应用。最简单的应用是采用比较器电路很容易实现的过流保护。这种应用可以增强或代替传统退饱和保护。

更具挑战性和具有潜在价值的应用是电机控制,采用其它接口电路和智能处理并结合片上温度检测,开展这种电机控制是可行的。安森美半导体正在积极开发单片式电流检测功能的这种应用。图3给出了片上电流检测的一些初步结果。

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图3-片上电流检测的一些初步结果

 

裸片检测布局图

表明IGBT顶部温度检测和电流检测垫的裸片布局实例,如图4所示。

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图4-IGBT顶部温度和电流检测垫布局图

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图5-2016年PCIM Europe展会上展出的裸片IGBT晶圆

 

总而言之,单片式集成电流检测和温度检测电路提供了一种测定电源模块中IGBT结温和集电极电流的可靠的方法,无需额外传感器。这些技术可为模块制造商带来大量好处,简化了关键参数的检测,减少了元件数量,对危险操作条件的响应更快,结温测定更准确,功率硅的利用率更佳,可靠性得到提高。所有这些特点将帮助逆变器制造商或汽车OEM在市场上得到更大的竞争优势。

 

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