650V汽车合格裸片IGBT旨在满足正在开发先进汽车牵引逆变器解决方案的功率模块制造商的需求。

　　IGBT产品系列PCGAXX0T65DF8包括160A、200A和300A的版本。单片温度和电流传感允许直接在芯片上测量结温和集电极到发射极的电流。这种技术相比于芯片外部的温度和电流传感提供了多个优势。本文描述了传感电路，并概述了其在混合动力/电动车辆(H/EV)牵引逆变器中的优势。

　　H/EV的牵引逆变器需要具备650V击穿电压范围的功率半导体器件。Fairchild新推出的AEC-Q101汽车级合格裸片IGBT产品系列专为当今及下一代混合动力、插电式混合动力、燃料电池和电池供电电动车辆设计。我们将这些车辆统称为H/EV。

　　Fairchild的裸片汽车合格IGBT基于第三代场阻止沟槽IGBT技术，并与经过汽车级标准认证的软快恢复二极管匹配，具有额外的特性和选项，比如改变栅极垫的大小和位置以适应不同直径的铝线、调整裸片尺寸及定制击穿电压。

　　新型裸片PCGA160T65NF8、PCGA200T65NF8和PCGA300T65DF8 IGBT可选择是否集成单片温度和电流传感电路，三种电流额定值为160A、200A和300A。其650V的击穿电压在-40至+175°C的结温范围内得到了保证。

　　裸片IGBT通常由功率模块制造商使用，这些制造商正在为H/EV牵引逆变器设计自己的解决方案，以实现高水平的功率集成和可靠性，或特殊的电力互连。整体目标是将功率限制推向超出标准模块产品的范围。

　　功率器件挑战

　　在处理功率半导体时，设计师面临以下挑战：

　　功率损耗

　　热管理

　　短路、过电流/过电压和过温保护

　　电流测量

　　功率损耗受IGBT的VCEon值、其开关行为(开关时间和关断时间)以及开关频率的影响。这些特性受到IGBT技术特性、栅极驱动电路、封装杂散电感和热管理系统的影响。

　　由于功率损耗只能最小化而无法完全消除，因此热管理必须旨在将半导体产生的热量移除。移除这些热量的最佳方法是改善硅与外界之间的热导率。在最近的更先进的功率模块中，用户采用了烧结技术，将功率器件的顶部和底部结合双面冷却，以提高热导率。

　　设计师面临的下一个问题是保护IGBT免受过温、过电压和过电流的影响。过电压可以通过适当的设计控制电流路径中的杂散电感量和电流变化率来限制。

　　过电流和过温是功率半导体使用过程中可能出现的意外情况。能够及时检测并采取措施可以延长逆变器的使用寿命。电机控制系统需要电流测量，以控制电机提供的电流和扭矩。

　　温度传感

　　裸片IGBT的单片集成温度传感通过测量在IGBT同一裸片上单片制造的多晶硅二极管串的正向压降(VF)来实现。因为二极管的VF值与结温Tj呈现出已知的线性关系(见公式1和图1)。单片电流传感的方法被证明是测量IGBT结温的最佳方式。

　　温度传感器需要以精确的恒定电流对二极管进行正向偏置。产生的压降必须通过接口电路被传感和调理。由于温度二极管与功率器件在硅上单片放置，因此它与IGBT的高压开关节点是电容耦合的。

　　接口电路必须设计成能够读取小的温度依赖VF值，拒绝开关电压，并通过隔离屏障传递信号。

　　有多种方法可以过滤信号并跨越隔离屏障。一个例子是使用隔离放大器和模数转换器。结合同步采样可以避免捕获与瞬态噪声峰值同时发生的样本。(Fairchild正在准备一份关于这种接口设计的应用说明。)

图1

　　电流传感

　　单片集成电流传感通过测量与主IGBT并联的小IGBT的电流，然后乘以已知的缩放因子来实现。IGBT由成千上万的单元通过设备顶部的金属化区域并联组成。小IGBT代表了与其余单元断开连接的一部分单元，并作为电流镜使用。

　　电流传感功能的基本概念如图2所示。一个单独的发射极连接提供主集电极电流的一部分(IS)，该部分连接到外部电阻(RS)。此连接生成一个与感测电流成正比的电压降。感测电阻的电压用于确定电流，并通过已知的主集电极电流(IC)计算“感测比”(Ratio)，如公式2所示。

图2

　　感测电阻(RS)可以被一个运算放大器电路替代，该电路被设计为在电流跟随器配置中直接放大感测电流，从而消除感测发射极的电压偏置。

　　感测电流比与温度有关，但结合结温传感后，预计该接口将提供必要的信息，以补偿结温，并产生更准确的主集电流测量。

　　更复杂的是修正电流依赖性。这在低电流水平(低于满电流范围的10%)时会限制准确性。单片电流传感的主要限制确实是低电流水平下的准确性。更多细节将在即将发布的应用说明中提供。

　　如上所述，单片电流传感可以在H/EV逆变器中有多种用途。最简单的用法是过电流保护，可以通过比较器电路轻松实现。这种用法可以增强或替代传统的去饱和保护。

　　一个更具挑战性且潜在有价值的应用是电机控制，这在结合额外的接口电路和智能处理以及在芯片上进行的温度传感时是可行的。Fairchild正在积极开发单片电流传感功能的这一应用。图3显示了在芯片上电流传感实现的一些初步结果。

图3

　　裸片传感布局

　　图4给出了裸片布局的示例，显示了IGBT顶部的温度传感和电流传感焊垫。

图4

　　总之，单片集成电流感应和温度感应电路为功率模块应用中IGBT的结温测量提供了一种可靠的方法，以及集电极电流的测量——无需额外传感器。这些技术可以为模块制造商提供显著的优势。它简化了关键参数的感测，减少了元件数量，实现了对危险操作条件的更快响应，允许更精确地确定结温，促进了功率硅的更好利用，并提高了可靠性。所有这些特性将帮助逆变器制造商或汽车OEM在市场上获得更具竞争力的地位。

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