一种功率模块开关电流宽频集成测量方法技术

本发明专利技术为一种功率模块开关电流宽频集成测量方法，该方法使用的混合电流传感器包括感应探头和处理电路，感应探头位于功率模块内部的电流元件附近，用于测量待测开关电流产生的感应磁场信号；处理电路用于将感应磁场信号转换为电流；感应探头包括一个罗氏线圈和多个呈圆周阵列环绕在功率模块电流元件周围的磁阻传感器，罗氏线圈的输出端阳极与处理电路的一个输入端连接，磁阻传感器的输出端阳极与处理电路的另一个输入端连接；罗氏线圈用于感知高频段感应磁场信号，即待测开关电流的高频分量；磁阻传感器用于感知低频段感应磁场信号，即待测开关电流的低频分量。混合电流传感器在可集成的前提下，既增强了抗干扰能力，又兼具高带宽、高灵敏度特性。高灵敏度特性。高灵敏度特性。

【技术实现步骤摘要】
一种功率模块开关电流宽频集成测量方法


[0001]本专利技术属于功率模块开关电流测量与应用
，具体是一种功率模块开关电流宽频集成测量方法。

技术介绍

[0002]功率模块的开关电流是电力电子装备及系统故障保护、状态监测和闭环控制所需的关键共性信息，其主要由MHz以上的高频开关瞬态电流及以下水平的开关通态电流构成，开关电流的测量频带范围包括DC
‑
MHz。传统电流传感器难以满足开关电流宽频带、易集成、抗扰性和侵扰性方面的要求，特别是随着技术进步和工艺发展，功率模块的开关速度、功率等级、耐受温度和通态电阻等指标逐步提升，使得开关电流测量的对象和环境更加复杂，致使开关电流测量需求与电流传感器性能之间的矛盾日益凸显，具体体现为以下两个方面：
[0003]矛盾一：电流传感器带宽性能与开关电流感知的宽频需求间的矛盾。一方面，开关电流在导通阶段富含低频成分，电流传感器需要优异的低频性能才能避免下垂误差；另一方面，功率模块的开通时间可短至纳秒级，所需电路传感器的测量带宽高达上百MHz。
[0004]矛盾二：电流传感器结构工艺与电力电子高功率密度设计间的矛盾。传统电流传感器多为普适性前提下针对传感器本体的集成设计，缺乏与功率模块封装设计的协同优化，其杂散参数、体积重量、工作温度等指标难以满足高功率密度要求。常见的分流器受到热效应、趋肤效应和寄生参数等因素的制约，难以满足大功率高频测量需求。同轴分流器通过构造无磁空间以降低寄生电感和趋肤效应，带宽可达数GHz，但其高频化以牺牲体积为代价，难以满足集成化要求。霍尔电流传感器受磁芯损耗影响，难以充分发挥高频性能。磁阻传感器尽管带宽可达数MHz，响应时间不超过百纳秒，但仍不能满足纳秒级开关瞬态电流的测量需求。电流互感器带宽可达上百MHz，且具备强抗干扰能力，但由于需用磁芯聚集磁场，较大的体积和损耗使其不易实现集成设计。罗氏线圈电流传感器采用空心结构易实现小型化，且带宽可达数十至百MHz，但测量低频电流时会产生严重的下垂误差，无法实现对开关通态电流的准确测量。
[0005]在不破坏功率模块现有封装结构的前提下，现有的设计主要是将PCB罗氏线圈集成在功率模块内部，以实现开关电流的测量。由于长时间工作，功率模块内部温度可超过150℃，高温环境使得PCB基板的材料特性发生改变，并发生明显形变，致使PCB参数产生不期望的误差，进而影响传感器灵敏度和测量带宽等。此外，现有的PCB基板最大为8层，随着层数的增加其制作成本显著增大，极大地降低了传感器的可设计性和实用性。
[0006]综上所述，为实现功率模块开关电流测量的宽频化和集成化，需要解决以下三个主要问题：1)如何提高单一感知原理的电流传感器的测量带宽，以兼顾开关电流低频与高频分量的精确测量。2)如何降低传感器集成化对功率模块结构以及功率回路的破坏程度，以避免过量杂散参数的引入。3)如何防止功率模块内部的高温环境对传感器性能的影响。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种功率模块开关电流宽频集成测量方法。
[0008]本专利技术解决所述技术问题采用的技术方案如下：
[0009]一种功率模块开关电流宽频集成测量方法，该方法使用混合电流传感器测量功率模块的开关电流；所述混合电流传感器包括感应探头和处理电路两部分，感应探头位于功率模块内部的电流元件附近，用于测量待测开关电流产生的感应磁场信号；处理电路用于将感应磁场信号转换为电流；所述感应探头包括一个罗氏线圈和多个呈圆周阵列环绕在功率模块电流元件周围的磁阻传感器，罗氏线圈的多匝绕组呈圆周环绕在功率模块电流元件周围，罗氏线圈和磁阻传感器的输出端阴极均接地；罗氏线圈的输出端阳极与处理电路的一个输入端连接，磁阻传感器的输出端阳极与处理电路的另一个输入端连接；罗氏线圈用于感知高频段感应磁场信号，即待测开关电流的高频分量；磁阻传感器用于感知低频段感应磁场信号，即待测开关电流的低频分量；上述的功率模块电路元件为功率端子或键合线。
[0010]进一步的，所述感应探头集成在LTCC基板上，功率模块电流元件从LTCC基板的中心处穿过，LTCC基板由若干层生瓷带叠压而成，位于LTCC基板中部的多层生瓷带形成一个用于制备罗氏线圈的块体，块体的内侧边缘和外侧边缘分别设有呈圆周阵列排布的一号通孔，块体的上、下表面分别设有以功率模块电流元件的中心线为中心，向四周发散的多个凹槽，每个凹槽的两端分别与相应的一号通孔连通，在一号通孔和凹槽中浇筑金属液体并通过LTCC技术烧结制得由多匝绕组交错连接而成的罗氏线圈，罗氏线圈与LTCC基板上的金属材料保持电气隔离；LTCC基板的上、下表面分别涂覆有金属薄膜，进而在LTCC基板上形成顶层屏蔽层和底层屏蔽层；LTCC基板外侧边缘呈圆周阵列密布的且沿叠压方向的二号通孔，在各个二号通孔中浇筑金属液体并通过LTCC技术烧结制得金属线，所有金属线在LTCC基板的外侧边缘形成沿叠压方向的屏蔽层，进而与顶层和底层屏蔽层共同形成半封闭屏蔽罩，半封闭屏蔽罩与处理电路共用相同的地；多个磁阻传感器安装在LTCC基板的顶层屏蔽层上；LTCC表示低温共烧陶瓷技术。
[0011]进一步的，所述处理电路包括低频处理分支和高频处理分支，低频处理分支对磁阻传感器采集的低频段感应磁场信号进行缩放，高频处理分支对罗氏线圈采集的高频段感应磁场信号进行积分和缩放，最后对两个频段的感应磁场信号进行相加，使得混合电流传感器在设计频段内的输出呈比例特性；高频处理分支由低通滤波器和比例放大器构成；混合电流传感器的传递函数为：
[0012][0013]式中，I'(s)、V
MR
(s)分别为磁阻传感器输出电流和输出电压的频域表达，I(s)为待测开关电流的频域表达，K
S
为混合电流传感器的灵敏度，K
L
表示磁阻传感器的输出增益，U
coil
(s)、V
Low
(s)分别为罗氏线圈和低通滤波器输出电压的频域表达，T
L
表示磁阻传感器的响应时延，s表示拉普拉斯算子，M表示罗氏线圈的互感系数，表示比例放大器的传递函数，表示磁阻传感器的传递函数，sM表示罗氏线圈的传递函数，表示低通滤波器
的传递函数。
[0014]进一步的，所有磁阻传感器的测量信号经过加法处理电路汇总为一路信号进行输出；所述加法处理电路包括与磁阻传感器数量相同的差分信号采集电路和一个同相加法电路，每个磁阻传感器的输出端与各自的差分信号采集电路的输入端连接，所有差分信号采集电路的输出端与同相加法电路的输入端连接，同相加法电路的输出端和罗氏线圈的输出端阳极通过两芯同轴线与处理电路连接，同轴线的外层地线与处理电路共地。
[0015]进一步的，所述差分信号采集电路包括电阻R2～R4、一号运算放大器、电容C1和C2，同相加法电路包括电阻R1和二号运算放大器；一号运算放大器的同相输入端和反相输入端分别与各自的电阻R2的一端连接，且一号运算放大器的同相输入端和反相输入端分别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率模块开关电流宽频集成测量方法，该方法使用混合电流传感器测量功率模块的开关电流；其特征在于，所述混合电流传感器包括感应探头和处理电路两部分，感应探头位于功率模块内部的电流元件附近，用于测量待测开关电流产生的感应磁场信号；处理电路用于将感应磁场信号转换为电流；所述感应探头包括一个罗氏线圈和多个呈圆周阵列环绕在功率模块电流元件周围的磁阻传感器，罗氏线圈的多匝绕组呈圆周环绕在功率模块电流元件周围，罗氏线圈和磁阻传感器的输出端阴极均接地；罗氏线圈的输出端阳极与处理电路的一个输入端连接，磁阻传感器的输出端阳极与处理电路的另一个输入端连接；罗氏线圈用于感知高频段感应磁场信号，即待测开关电流的高频分量；磁阻传感器用于感知低频段感应磁场信号，即待测开关电流的低频分量；上述的功率模块电路元件为功率端子或键合线。2.根据权利要求1所述的功率模块开关电流宽频集成测量方法，其特征在于，所述感应探头集成在LTCC基板上，功率模块电流元件从LTCC基板的中心处穿过，LTCC基板由若干层生瓷带叠压而成，位于LTCC基板中部的多层生瓷带形成一个用于制备罗氏线圈的块体，块体的内侧边缘和外侧边缘分别设有呈圆周阵列排布的一号通孔，块体的上、下表面分别设有以功率模块电流元件的中心线为中心，向四周发散的多个凹槽，每个凹槽的两端分别与相应的一号通孔连通，在一号通孔和凹槽中浇筑金属液体并通过LTCC技术烧结制得由多匝绕组交错连接而成的罗氏线圈，罗氏线圈与LTCC基板上的金属材料保持电气隔离；LTCC基板的上、下表面分别涂覆有金属薄膜，进而在LTCC基板上形成顶层屏蔽层和底层屏蔽层；LTCC基板外侧边缘呈圆周阵列密布的且沿叠压方向的二号通孔，在各个二号通孔中浇筑金属液体并通过LTCC技术烧结制得金属线，所有金属线在LTCC基板的外侧边缘形成沿叠压方向的屏蔽层，进而与顶层和底层屏蔽层共同形成半封闭屏蔽罩，半封闭屏蔽罩与处理电路共用相同的地；多个磁阻传感器安装在LTCC基板的顶层屏蔽层上；LTCC表示低温共烧陶瓷技术。3.根据权利要求1所述的功率模块开关电流宽频集成测量方法，其特征在于，所述处理电路包括低频处理分支和高频处理分支，低频处理分支对磁阻传感器采集的低频段感应磁场信号进行缩放，高频处理分支对罗氏线圈采集的高频段感应磁场信号进行积分和缩放，最后对两个频段的感应磁场信号进行相加，使得混合电流传感器在...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛振，周泽，李学宝，康健龙，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：