650V汽車合格裸片IGBT旨在滿足正在開發(fā)先進(jìn)汽車牽引逆變器解決方案的功率模塊制造商的需求。

　　IGBT產(chǎn)品系列PCGAXX0T65DF8包括160A、200A和300A的版本。單片溫度和電流傳感允許直接在芯片上測量結(jié)溫和集電極到發(fā)射極的電流。這種技術(shù)相比于芯片外部的溫度和電流傳感提供了多個(gè)優(yōu)勢。本文描述了傳感電路，并概述了其在混合動(dòng)力/電動(dòng)車輛(H/EV)牽引逆變器中的優(yōu)勢。

　　H/EV的牽引逆變器需要具備650V擊穿電壓范圍的功率半導(dǎo)體器件。Fairchild新推出的AEC-Q101汽車級合格裸片IGBT產(chǎn)品系列專為當(dāng)今及下一代混合動(dòng)力、插電式混合動(dòng)力、燃料電池和電池供電電動(dòng)車輛設(shè)計(jì)。我們將這些車輛統(tǒng)稱為H/EV。

　　Fairchild的裸片汽車合格IGBT基于第三代場阻止溝槽IGBT技術(shù)，并與經(jīng)過汽車級標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的軟快恢復(fù)二極管匹配，具有額外的特性和選項(xiàng)，比如改變柵極墊的大小和位置以適應(yīng)不同直徑的鋁線、調(diào)整裸片尺寸及定制擊穿電壓。

　　新型裸片PCGA160T65NF8、PCGA200T65NF8和PCGA300T65DF8 IGBT可選擇是否集成單片溫度和電流傳感電路，三種電流額定值為160A、200A和300A。其650V的擊穿電壓在-40至+175°C的結(jié)溫范圍內(nèi)得到了保證。

　　裸片IGBT通常由功率模塊制造商使用，這些制造商正在為H/EV牽引逆變器設(shè)計(jì)自己的解決方案，以實(shí)現(xiàn)高水平的功率集成和可靠性，或特殊的電力互連。整體目標(biāo)是將功率限制推向超出標(biāo)準(zhǔn)模塊產(chǎn)品的范圍。

　　功率器件挑戰(zhàn)

　　在處理功率半導(dǎo)體時(shí)，設(shè)計(jì)師面臨以下挑戰(zhàn)：

　　功率損耗

　　熱管理

　　短路、過電流/過電壓和過溫保護(hù)

　　電流測量

　　功率損耗受IGBT的VCEon值、其開關(guān)行為(開關(guān)時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間)以及開關(guān)頻率的影響。這些特性受到IGBT技術(shù)特性、柵極驅(qū)動(dòng)電路、封裝雜散電感和熱管理系統(tǒng)的影響。

　　由于功率損耗只能最小化而無法完全消除，因此熱管理必須旨在將半導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量移除。移除這些熱量的最佳方法是改善硅與外界之間的熱導(dǎo)率。在最近的更先進(jìn)的功率模塊中，用戶采用了燒結(jié)技術(shù)，將功率器件的頂部和底部結(jié)合雙面冷卻，以提高熱導(dǎo)率。

　　設(shè)計(jì)師面臨的下一個(gè)問題是保護(hù)IGBT免受過溫、過電壓和過電流的影響。過電壓可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)控制電流路徑中的雜散電感量和電流變化率來限制。

　　過電流和過溫是功率半導(dǎo)體使用過程中可能出現(xiàn)的意外情況。能夠及時(shí)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)需要電流測量，以控制電機(jī)提供的電流和扭矩。

　　溫度傳感

　　裸片IGBT的單片集成溫度傳感通過測量在IGBT同一裸片上單片制造的多晶硅二極管串的正向壓降(VF)來實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槎O管的VF值與結(jié)溫Tj呈現(xiàn)出已知的線性關(guān)系(見公式1和圖1)。單片電流傳感的方法被證明是測量IGBT結(jié)溫的最佳方式。

　　溫度傳感器需要以精確的恒定電流對二極管進(jìn)行正向偏置。產(chǎn)生的壓降必須通過接口電路被傳感和調(diào)理。由于溫度二極管與功率器件在硅上單片放置，因此它與IGBT的高壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)是電容耦合的。

　　接口電路必須設(shè)計(jì)成能夠讀取小的溫度依賴VF值，拒絕開關(guān)電壓，并通過隔離屏障傳遞信號。

　　有多種方法可以過濾信號并跨越隔離屏障。一個(gè)例子是使用隔離放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。結(jié)合同步采樣可以避免捕獲與瞬態(tài)噪聲峰值同時(shí)發(fā)生的樣本。(Fairchild正在準(zhǔn)備一份關(guān)于這種接口設(shè)計(jì)的應(yīng)用說明。)

圖1

　　電流傳感

　　單片集成電流傳感通過測量與主IGBT并聯(lián)的小IGBT的電流，然后乘以已知的縮放因子來實(shí)現(xiàn)。IGBT由成千上萬的單元通過設(shè)備頂部的金屬化區(qū)域并聯(lián)組成。小IGBT代表了與其余單元斷開連接的一部分單元，并作為電流鏡使用。

　　電流傳感功能的基本概念如圖2所示。一個(gè)單獨(dú)的發(fā)射極連接提供主集電極電流的一部分(IS)，該部分連接到外部電阻(RS)。此連接生成一個(gè)與感測電流成正比的電壓降。感測電阻的電壓用于確定電流，并通過已知的主集電極電流(IC)計(jì)算“感測比”(Ratio)，如公式2所示。

圖2

　　感測電阻(RS)可以被一個(gè)運(yùn)算放大器電路替代，該電路被設(shè)計(jì)為在電流跟隨器配置中直接放大感測電流，從而消除感測發(fā)射極的電壓偏置。

　　感測電流比與溫度有關(guān)，但結(jié)合結(jié)溫傳感后，預(yù)計(jì)該接口將提供必要的信息，以補(bǔ)償結(jié)溫，并產(chǎn)生更準(zhǔn)確的主集電流測量。

　　更復(fù)雜的是修正電流依賴性。這在低電流水平(低于滿電流范圍的10%)時(shí)會(huì)限制準(zhǔn)確性。單片電流傳感的主要限制確實(shí)是低電流水平下的準(zhǔn)確性。更多細(xì)節(jié)將在即將發(fā)布的應(yīng)用說明中提供。

　　如上所述，單片電流傳感可以在H/EV逆變器中有多種用途。最簡單的用法是過電流保護(hù)，可以通過比較器電路輕松實(shí)現(xiàn)。這種用法可以增強(qiáng)或替代傳統(tǒng)的去飽和保護(hù)。

　　一個(gè)更具挑戰(zhàn)性且潛在有價(jià)值的應(yīng)用是電機(jī)控制，這在結(jié)合額外的接口電路和智能處理以及在芯片上進(jìn)行的溫度傳感時(shí)是可行的。Fairchild正在積極開發(fā)單片電流傳感功能的這一應(yīng)用。圖3顯示了在芯片上電流傳感實(shí)現(xiàn)的一些初步結(jié)果。

圖3

　　裸片傳感布局

　　圖4給出了裸片布局的示例，顯示了IGBT頂部的溫度傳感和電流傳感焊墊。

圖4

　　總之，單片集成電流感應(yīng)和溫度感應(yīng)電路為功率模塊應(yīng)用中IGBT的結(jié)溫測量提供了一種可靠的方法，以及集電極電流的測量——無需額外傳感器。這些技術(shù)可以為模塊制造商提供顯著的優(yōu)勢。它簡化了關(guān)鍵參數(shù)的感測，減少了元件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對危險(xiǎn)操作條件的更快響應(yīng)，允許更精確地確定結(jié)溫，促進(jìn)了功率硅的更好利用，并提高了可靠性。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。

浮思特科技專注功率器件領(lǐng)域，為客戶提供igbt、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。