本文介绍了传感电路，并概述了混合动力/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在 650V 范围内的功率半导体器件。Fairchild 的新产品系列符合 AEC-Q101 汽车级标准的裸片 IGBT 专为当今和下一代混合动力/插电式混合动力、燃料电池和电池供电的电动汽车应用而设计。我们将这些车辆简称为 H/EV。
　　Fairchild 的裸片汽车级 IGBT 基于第三代场截止沟槽 IGBT 技术，并配备符合汽车级标准的软快速恢复二极管，具有附加功能和选项，如改变栅极焊盘的大小和位置以适应不同直径的铝线、调整芯片大小和定制击穿电压。
　　新款裸片 PCGA160T65NF8、PCGA200T65NF8 和 PCGA300T65DF8 IGBT 可提供带或不带集成单片温度和电流传感电路的版本，额定电流为 160、200 和 300A。在 -40 至 +175 °C 的结温范围内，可保证击穿电压为 650V。
　　裸片 IGBT 通常由电源模块制造商使用，他们正在为 H/EV 牵引逆变器设计自己的解决方案，以实现高水平的电源集成和可靠性，或特殊的电源互连。总体目标是将功率极限推向标准模块产品之外。
　　功率器件挑战
　　在处理功率半导体时，设计人员面临以下挑战：
　　电力流失
　　热管理
　　短路、过流/过压和过热保护
　　电流测量
　　功率损耗受 IGBT 的 VCEon 值、开关行为（开启和关闭时间）和开关频率的影响。这些属性受 IGBT 技术、栅极驱动电路、封装杂散电感和热管理系统的特性影响。
　　由于功率损耗只能化，但永远无法完全消除，因此热管理必须旨在消除半导体损耗产生的热量。消除这种热量的方法是提高硅与外界之间的热导率。近，更先进的电源模块用户正在采用烧结技术对功率器件的顶部和底部进行处理，并结合双面冷却来提高热导率。
　　设计人员面临的下一个问题是保护 IGBT 免受过热、过压和过流的影响。通过适当的设计控制电流路径中的杂散电感量并控制电流的变化率，可以限制过压。
　　过流和过热是功率半导体使用寿命中可能发生的不良事件。能够及时检测并采取措施可以延长逆变器的使用寿命。电机控制系统需要进行电流测量，以控制电机提供的电流量和扭矩。
　　温度感应
　　裸片 IGBT 中的单片集成温度传感是通过测量多晶硅二极管串的正向压降 (VF) 来实现的，这些二极管与 IGBT 单片制造在同一芯片上。因为二极管的 VF 值显示出对 Tj 的众所周知的线性依赖性（公式 1 和图 1）。单片电流传感方法被证明是测量 IGBT 结温的方法。

　　V_F = \frac{K \cdot T}{q} ln \frac{I_F}{I_0} = S_F \cdot T_J \ \ \ \ \ \ \ (1)

　　电压降VF与结温Tj的关系
　　图 1：电压降 VF 与结温 Tj 的关系
　　温度传感器要求二极管正向偏置，并具有的恒定电流。必须通过接口电路检测和调节由此产生的电压降。由于温度二极管与功率器件一起单片放置在硅片上，因此它与 IGBT 的高压开关节点电容耦合。
　　接口电路必须设计为读取与温度相关的小的 VF 值、拒绝开关电压并将信号传递到隔离屏障。
　　有许多方法可以过滤信号并使其穿过隔离屏障。一个例子是使用隔离放大器和模拟数字转换器。这与同步采样相结合，以避免捕获瞬态噪声尖峰发生的样本。（Fairchild 正在准备一份应用说明，介绍此类接口的设计。）
　　电流感应
　　单片集成电流感应是通过测量与主 IGBT 并联的小型 IGBT 的电流，然后将其乘以已知的比例因子来实现的。IGBT 由通过设备顶部的金属化区域并联的数千个单元组成。小型 IGBT 代表这些单元中与其他单元断开连接的一部分，可用作电流镜。
　　电流检测功能的基本概念如图 2 所示。单独的发射极连接提供主集电极电流 (IS) 的一小部分，该电流连接到外部电阻 (RS)。此连接产生与检测电流成比例的电压降。检测电阻电压用于确定电流，通过了解主集电极电流 (IC)，可以计算出“检测比”(Ratio)，该比由公式 2 给出。
　　比率 = \frac {I_C \cdot R_S}{V_S} \ \ \ \ \ (2)

　　电流检测功能的基本概念

　　图2：电流检测功能的基本概念
　　检测电阻 (RS) 可以用运算放大器电路代替，该运算放大器电路设计用于在电流跟随器配置中直接放大检测电流，从而消除检测发射极电压偏置。
　　电流检测比依赖于温度，但是，当与结温检测结合时，预计该接口将产生必要的信息以补偿结温并更准确地测量主集电极电流。
　　更困难的是纠正电流依赖性。这会导致低电流下的精度受限，其中低电流被认为是低于全电流范围 10% 的电流水平。单片电流感应的主要限制确实是低电流水平下的精度。即将发布的应用说明中将提供更多详细信息。
　　如上所述，单片电流感应可在 H/EV 逆变器中用于各种用途。简单的用途是过流保护，这可以通过比较器电路轻松实现。这种用途可以增强或取代传统的去饱和保护。
　　电机控制是一项更具挑战性和潜在价值的用途，通过附加接口电路和智能处理以及片上温度传感，电机控制是可行的。Fairchild 正在积极开发这种单片电流传感功能的应用。图 3 显示了片上电流传感取得的一些初步成果。

　　

　　利用片上电流感应取得的一些初步成果（底部）
　　图 3：片上电流感应取得的一些初步成果
　　传感裸片布局

　　图 4 给出了裸片布局的示例，其中显示了 IGBT 顶部的温度感应和电流感应垫。

　　IGBT 顶部温度和电流检测垫的布局
　　图 4：IGBT 顶部温度和电流检测板的布局
　　2016 年 PCIM 欧洲展会上展示的裸片 IGBT 晶圆
　　图 5：2016 年 PCIM 欧洲展会上展示的裸片 IGBT 晶圆
　　总之，单片集成电流检测和温度检测电路提供了一种可靠的方法来测量电源模块应用中 IGBT 的结温和集电极电流，而无需额外的传感器。这些技术可以为模块制造商带来巨大的优势。它简化了关键参数的检测，减少了元件数量，实现了对危险操作条件的更快响应，允许更地确定结温，从而更好地利用功率硅，并提高可靠性。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。