本文介紹了傳感電路，并概述了混合動力/電動汽車 (H/EV) 牽引逆變器的優(yōu)勢。
　　H/EV 的牽引逆變器需要擊穿電壓在 650V 范圍內(nèi)的功率半導(dǎo)體器件。Fairchild 的新產(chǎn)品系列符合 AEC-Q101 汽車級標(biāo)準(zhǔn)的裸片 IGBT 專為當(dāng)今和下一代混合動力/插電式混合動力、燃料電池和電池供電的電動汽車應(yīng)用而設(shè)計。我們將這些車輛簡稱為 H/EV。
　　Fairchild 的裸片汽車級 IGBT 基于第三代場截止溝槽 IGBT 技術(shù)，并配備符合汽車級標(biāo)準(zhǔn)的軟快速恢復(fù)二極管，具有附加功能和選項，如改變柵極焊盤的大小和位置以適應(yīng)不同直徑的鋁線、調(diào)整芯片大小和定制擊穿電壓。
　　新款裸片 PCGA160T65NF8、PCGA200T65NF8 和 PCGA300T65DF8 IGBT 可提供帶或不帶集成單片溫度和電流傳感電路的版本，額定電流為 160、200 和 300A。在 -40 至 +175 °C 的結(jié)溫范圍內(nèi)，可保證擊穿電壓為 650V。
　　裸片 IGBT 通常由電源模塊制造商使用，他們正在為 H/EV 牽引逆變器設(shè)計自己的解決方案，以實現(xiàn)高水平的電源集成和可靠性，或特殊的電源互連?？傮w目標(biāo)是將功率極限推向標(biāo)準(zhǔn)模塊產(chǎn)品之外。
　　功率器件挑戰(zhàn)
　　在處理功率半導(dǎo)體時，設(shè)計人員面臨以下挑戰(zhàn)：
　　電力流失
　　熱管理
　　短路、過流/過壓和過熱保護(hù)
　　電流測量
　　功率損耗受 IGBT 的 VCEon 值、開關(guān)行為（開啟和關(guān)閉時間）和開關(guān)頻率的影響。這些屬性受 IGBT 技術(shù)、柵極驅(qū)動電路、封裝雜散電感和熱管理系統(tǒng)的特性影響。
　　由于功率損耗只能最小化，但永遠(yuǎn)無法完全消除，因此熱管理必須旨在消除半導(dǎo)體損耗產(chǎn)生的熱量。消除這種熱量的最佳方法是提高硅與外界之間的熱導(dǎo)率。最近，更先進(jìn)的電源模塊用戶正在采用燒結(jié)技術(shù)對功率器件的頂部和底部進(jìn)行處理，并結(jié)合雙面冷卻來提高熱導(dǎo)率。
　　設(shè)計人員面臨的下一個問題是保護(hù) IGBT 免受過熱、過壓和過流的影響。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計控制電流路徑中的雜散電感量并控制電流的變化率，可以限制過壓。
　　過流和過熱是功率半導(dǎo)體使用壽命中可能發(fā)生的不良事件。能夠及時檢測并采取措施可以延長逆變器的使用壽命。電機(jī)控制系統(tǒng)需要進(jìn)行電流測量，以控制電機(jī)提供的電流量和扭矩。
　　溫度感應(yīng)
　　裸片 IGBT 中的單片集成溫度傳感是通過測量多晶硅二極管串的正向壓降 (VF) 來實現(xiàn)的，這些二極管與 IGBT 單片制造在同一芯片上。因為二極管的 VF 值顯示出對 Tj 的眾所周知的線性依賴性（公式 1 和圖 1）。單片電流傳感方法被證明是測量 IGBT 結(jié)溫的最佳方法?！　_F = \frac{K \cdot T}{q} ln \frac{I_F}{I_0} = S_F \cdot T_J \ \ \ \ \ \ \ (1)

　　電壓降VF與結(jié)溫Tj的關(guān)系
　　圖 1：電壓降 VF 與結(jié)溫 Tj 的關(guān)系
　　溫度傳感器要求二極管正向偏置，并具有精確的恒定電流。必須通過接口電路檢測和調(diào)節(jié)由此產(chǎn)生的電壓降。由于溫度二極管與功率器件一起單片放置在硅片上，因此它與 IGBT 的高壓開關(guān)節(jié)點電容耦合。
　　接口電路必須設(shè)計為讀取與溫度相關(guān)的小的 VF 值、拒絕開關(guān)電壓并將信號傳遞到隔離屏障。
　　有許多方法可以過濾信號并使其穿過隔離屏障。一個例子是使用隔離放大器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。這與同步采樣相結(jié)合，以避免捕獲瞬態(tài)噪聲尖峰發(fā)生的樣本。（Fairchild 正在準(zhǔn)備一份應(yīng)用說明，介紹此類接口的設(shè)計。）
　　電流感應(yīng)
　　單片集成電流感應(yīng)是通過測量與主 IGBT 并聯(lián)的小型 IGBT 的電流，然后將其乘以已知的比例因子來實現(xiàn)的。IGBT 由通過設(shè)備頂部的金屬化區(qū)域并聯(lián)的數(shù)千個單元組成。小型 IGBT 代表這些單元中與其他單元斷開連接的一部分，可用作電流鏡。
　　電流檢測功能的基本概念如圖 2 所示。單獨的發(fā)射極連接提供主集電極電流 (IS) 的一小部分，該電流連接到外部電阻 (RS)。此連接產(chǎn)生與檢測電流成比例的電壓降。檢測電阻電壓用于確定電流，通過了解主集電極電流 (IC)，可以計算出“檢測比”(Ratio)，該比由公式 2 給出。
　　比率 = \frac {I_C \cdot R_S}{V_S} \ \ \ \ \ (2)　　電流檢測功能的基本概念

　　圖2：電流檢測功能的基本概念
　　檢測電阻 (RS) 可以用運算放大器電路代替，該運算放大器電路設(shè)計用于在電流跟隨器配置中直接放大檢測電流，從而消除檢測發(fā)射極電壓偏置。
　　電流檢測比依賴于溫度，但是，當(dāng)與結(jié)溫檢測結(jié)合時，預(yù)計該接口將產(chǎn)生必要的信息以補(bǔ)償結(jié)溫并更準(zhǔn)確地測量主集電極電流。
　　更困難的是糾正電流依賴性。這會導(dǎo)致低電流下的精度受限，其中低電流被認(rèn)為是低于全電流范圍 10% 的電流水平。單片電流感應(yīng)的主要限制確實是低電流水平下的精度。即將發(fā)布的應(yīng)用說明中將提供更多詳細(xì)信息。
　　如上所述，單片電流感應(yīng)可在 H/EV 逆變器中用于各種用途。最簡單的用途是過流保護(hù)，這可以通過比較器電路輕松實現(xiàn)。這種用途可以增強(qiáng)或取代傳統(tǒng)的去飽和保護(hù)。
　　電機(jī)控制是一項更具挑戰(zhàn)性和潛在價值的用途，通過附加接口電路和智能處理以及片上溫度傳感，電機(jī)控制是可行的。Fairchild 正在積極開發(fā)這種單片電流傳感功能的應(yīng)用。圖 3 顯示了片上電流傳感取得的一些初步成果。

　　

　　利用片上電流感應(yīng)取得的一些初步成果（底部）
　　圖 3：片上電流感應(yīng)取得的一些初步成果
　　傳感裸片布局　　圖 4 給出了裸片布局的示例，其中顯示了 IGBT 頂部的溫度感應(yīng)和電流感應(yīng)墊。

　　IGBT 頂部溫度和電流檢測墊的布局
　　圖 4：IGBT 頂部溫度和電流檢測板的布局
　　2016 年 PCIM 歐洲展會上展示的裸片 IGBT 晶圓
　　圖 5：2016 年 PCIM 歐洲展會上展示的裸片 IGBT 晶圓
　　總之，單片集成電流檢測和溫度檢測電路提供了一種可靠的方法來測量電源模塊應(yīng)用中 IGBT 的結(jié)溫和集電極電流，而無需額外的傳感器。這些技術(shù)可以為模塊制造商帶來巨大的優(yōu)勢。它簡化了關(guān)鍵參數(shù)的檢測，減少了元件數(shù)量，實現(xiàn)了對危險操作條件的更快響應(yīng)，允許更精確地確定結(jié)溫，從而更好地利用功率硅，并提高可靠性。所有這些特性將幫助逆變器制造商或汽車 OEM 在市場上獲得更具競爭力的地位。