IPM内集成传感器的应用解决方案分析

2022-02-19 16:18分类：传感器阅读：

IPM内的集成化感应器在宽范畴运作情况下维护像SKiiP那样的功率模块。配置适合的评定电源电路，它能做为一个协同作用为过程控制系统给予高品质的信息内容。这能够减少室内空间、成本费和开发设计時间。根据外界观测器，可以用感应器数据信号的协同可弥补运用中特殊维护的间隙。

现如今，运作主要参数检测已变成功率模块的一个构成部分。在功率模块中，温度感应器已多多少少地变成标准配备，乃至连电流传感器也正变得越来越普遍被选用。实际上，与外接感应器解决方法对比，集成化感应器是更具备成本效益的解决方法，它为使用者产生额外的保障作用，与此同时减少了板块的容积。

电流量感应器

假如一个功率模块配置了电流传感器，其数据信号主要是作为輸出电流量操纵（比如：在传输使用中），而且还能起着维护元器件的功效。电机控制系统的要求明确电流传感器的特点。在很多状况下，常见故障（包含溫度飘移）都需要小于1 。.. 2%。对溫度（-40℃～125℃）和低电流量耗损的需要是根据功率模块本身来制定的。元器件维护作用设置过电流工作能力（较大短路故障电流量为额定电压的5倍），限制截止频率（》 100kHz）。

针对低中电力电子器件，应用电流量分路器是一个精准且成本低高效能的解决方法。电流量额度约为30A～40A。存在的不足是有附加的电功率耗损，而且假如分路器用以精确测量发射极电流量，可能丧失防护且IGBT栅压数据信号中出现影响。

针对性能卓越和大功率半导体控制模块，一般应用电气隔离的感应器。无赔偿电流量的纯霍尔效应感应器在偏差和溫度可靠性领域的功能较弱。感应器可以用在客户选定的板块中，由于这种板块中的需要理解的很清晰。具备高线性和低溫度飘移的控制器与赔偿电流量一起运行。该电流量相抵感应器关键内精确测量电流的磁场。赔偿电流量放大仪的操控讯号由霍尔效应、电磁场或磁电式摄像头给予。

针对像赛米控SKiiP系统软件那样的智能化功率模块（IPM），因为最后运用针对性能卓越的规定，应用高精密的感应器是比较合适的。在最后运用中，感应器立即集成化在控制模块的壳子中，围绕主接线端子以减少室内空间（图1）。用以数据信号检测和转化的评定电源电路是控制器电源电路的一部分。独特制定的ASIC集成ic确保高集成度和可靠性高，这在使用外界感应器的方法中是难以达到。

在IPM內部，电流量检测电源电路与控制器电源电路立即相接。它还可以在最短期内检验到外界短路故障，而且可在2～3μs内关闭功率半导体。将来，这一特点将显得更加关键，由于与以往的IGBT容许10 μs的短路故障時间对比，新一代IGBT只容许6 μs的短路故障時间。

电压源整流电路AC端子处的电流传感器不可以检查到逆变电源桥内的短路故障。这儿，根据检测VCE（sat），处在开态的半导体材料的切线斜率电阻器用以维护目地。该办法针对过流保护是非常的，但并不宜电流量的精确测量。

图1：AC端子集成化了电流传感器的SKiiP功率模块

温度感应器

针对元器件维护来讲，有几种温度感应器可储存。这种感应器具备负温度系数（NTC）或正温度系数（PTC）。规范工业生产控制模块中应用较多的是NTC感应器。赛米控应用自身的硅集成ic感应器SKCS，该感应器为PTC特点、具备线性高和偏差小的特性。相互配合合适的监控电源电路，例如SKiiP的IPM给予一个模拟输出数据信号用以温度检测和设备故障率小于5°C的保障作用。

感应器在控制模块内的地方在较大水平上危害其过温保护的工作能力。实际上，在这些方面感应器的部位比感应器的偏差更关键。假如硬件配置短路脉冲信号由控制器或控制回路设定，则尤其这般。

图2：功率模块内相关不一样温度感应器部位的案例研究；实体模型和溫度仿真模拟

对不一样相位传感器所产生的危害做好了一项科学研究。功率模块的一个实体模型如图所示 2所显示。该控制模块沒有铜底版，安裝在一个风冷式铝热管散热器上。不一样感应器的热藕合不一样，从感应器A）在同一铜层上与功率半导体立即相接，到感应器B）和C）在控制模块内不一样部位开展防护，到置放在热管散热器上控制模块旁的感应器D）。因为不一样的热藕合，每一个感应器有不一样的结（ j ）到感应器（r）传热系数Rth（j-r）。

用以超温防护的短路脉冲信号可在准静态数据标准为每一个感应器设置。比如，假如Tj 不可以超出140°C，则所科学研究实例系统软件的“超温关闭”短路脉冲信号将从120°C（感应器A）、110°C（感应器B）、100°C（感应器C）至70°C（感应器D）不一。源和感应器中间的藕合越好，制冷系统的危害越低。这也是集成化解决方法的一个非常大的优点。

但是，针对别的制冷标准（排热原材料和基石薄厚、制冷物质、导热硅胶薄厚），短路脉冲信号迫不得已设置为新的值。这促使IPM的生产制造商难以为随意给出的使用将超温短路脉冲信号设置至一个适度值。因此，感应器数据信号应由外界上台控制板开展检测，而且假如需要的话，热维护脉冲信号应与制冷系统相符合。

为表明制冷系统所造成的危害，导热硅胶层的薄厚由原先的50 μm提升至100 μm。因为感应器A与功率半导体拥有最好的热藕合，因而能够看到对Rth（j-r）的危害最少，其值只提升了3%。感应器B和C的Rth（j-r）值提高了 7…8%。制冷系统对感应器D的Rth（j-r）危害较大，其值的提升超出 25%。

另一个难题是温度感应器是不是可以在短时间负载的情形下维护功率半导体。每一个感应器对结温高作出反映的时间段存有延迟时间，该延迟时间与控制器的地方有关。这一特点由热特性阻抗Zth（j-r）来叙述。它的主要表现与期待的不一致（见图3）。Zth（j-r）与结到热管散热器的热特性阻抗Zth（j-s）（立即在集成ic下）的较为说明在一秒钟以后系统软件的结-热管散热器热特性阻抗已做到稳定标准，而体系的结-感应器则必须100秒才可以抵达稳定。在其中的因素是热管散热器內部存有热扩散系数。

图3：结（ j ）到不一样相位传感器（rX ）和散热片的热特性阻抗

针对每一个功率半导体，其静态数据功能损耗Ptot的极值是选定的。针对实例中的从50% Ptot至200% Ptot的负载振荡，半导体材料将一段时间后超温。感应器A将在0.19s后做到其120°C的短路脉冲信号，给予靠谱的机器设备维护并将结温维持在约150°C。由感应器B和C给予保障的专用设备的结温将处在160 °C至170°C那样一个凶险的范畴内；在这种状况中，感应器必须0.3…0.4s做到短路脉冲信号。在于元器件的特点，这也许代表着早已超出了数据信息指南中要求的额度。感应器D的反应速度超出一秒，因而没法维护机器设备。针对负载十分高且运行温度低的状况，温度感应器不可以带来一切适度的维护。

相关不一样温度感应器部位优点和缺点的简述在表1中列举，因为有防护，坐落于B部位的感应器现如今是优选的计划方案。假如将来控制器带维护电源电路而且数据信号在控制器二次侧开展转换，则也许代表着感应器部位A 或许是更快的解决方法。

集成化维护

假如产生短时间负载，机器设备维护将存有一个间隙。电流传感器的短路值设置为较高值以容许短时间负载，例如在电动机启动的情况下。长期性运转在该电流量级别下将致使机器设备超温。在绝大多数状况下，过温保护元器件的反应速度过长而没法监测到这类超温。

弥补这一空缺的一种很有可能的方法是使用电流量及溫度数据信号的手机软件关闭。逆变电源控制板以感应器的环境温度和电气运行标准为基本测算结温。tp时时刻刻的结温可由下式测算出：

P0为t=0s 时的功能损耗，Pover为负载时的功能损耗。这儿，热特性阻抗Zth（j-r）如数据信息指南中上述，仿真模拟溫度数据信号Tr也是必须的。

表1：相关不一样部位温度感应器是不是适用于维护功率半导体的较为。