#汽車電子 #電源設計 #功率元件 #牽引逆變器 #IGBT製程 #AEC-Q101

【測定電源模組之 IGBT 結溫與集電極電流的可靠方法】

用於目前和下一代混合／插電式混合、燃料電池及電池供電之電動汽車 (H/EV) 的牽引逆變器，需要崩潰電壓 650V 範圍的功率半導體裝置。採用第三代溝槽型場截止 IGBT 技術、且符合汽車級標準認證快速恢復二極體匹配的功率元件，具有更多特徵和選擇；例如，改變柵極墊尺寸和位置以容納不同直徑的鋁線、重新修改裸晶的尺寸並客製化崩潰電壓。

裸晶 IGBT 通常由電源模組製造商使用，這些製造商設計 H/EV 牽引逆變器，以實現高水準的功率整合和可靠性，或特殊的電源互連。最重要的目標是突破標準模組產品的功率限制。設計電源半導體時，設計人員將面臨功率損耗、熱管理、短路、過流／過壓和過熱保護，以及電流測定等挑戰。首先，功率損耗受 IGBT 的 VCEon 值、開關行為 (接通時間和斷開時間) 以及開關頻率影響，這些特性又會隨 IGBT 技術、柵極驅動電路、封裝的雜散電感及熱管理系統的特性而變化。

由於功率損耗不可能完全消除、只能減小，因此，熱管理的目標是消除從半導體損耗而產生的熱量。消除這種熱量最好的方法是改善矽本身和外界的熱傳導；而先進功率模組可在功率元件的頂部和底部採用燒結技術並結合雙面冷卻，以改善熱傳導。設計人員面臨的下一個問題是防止 IGBT 過熱、過壓和過流。要限制過壓，可利用合適的設計和控制電流通路的雜散電感量，並控制電流變化速率達成。透過及時檢測過電流和過熱並做出回應，能延長逆變器的使用壽命。

為控制馬達電流和轉矩，馬達控制系統要求測定電流。裸晶 IGBT 的單片式整合溫度檢測能透過測定一串多晶矽二極體的正向壓降 (VF) 實現。單片式電流檢測方法證明是測定 IGBT 接合點溫度 (Tj) 的最好方法，因為兩者具有線性依賴；惟須留意的是，溫度感測器要求二極體正向偏置且具有精確的恆定電流，造成的壓降須經介面電路檢測、調節，而此一介面電路須設計用於讀取較小的溫度相關 VF 值、抑制開關電壓，並傳送訊號通過隔離層。

單片式電流檢測可用於 H/EV 逆變器的各種應用，最簡單的用途是利用比較器電路做過流保護，以增強或代替傳統的退飽和保護。採用其他介面電路和智慧處理，並結合晶片內建溫度檢測做電機控制，則是更具挑戰性和潛在價值的應用。整合電流檢測和溫度檢測的電路，無需額外感測器，可簡化關鍵參數的檢測、減少零組件數量，擁有以下好處：對危險操作狀況的響應更快、接合點溫度測定更準確、功率矽的利用率更佳，且可靠性提高。

延伸閱讀：
《汽車級認證裸晶 IGBT 的單片式電流和溫度檢測》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0220/34702.html
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