探討一下IGBT的片上電流傳感器基本原理及用法

基本介紹

片上電流傳感器的電氣原理圖如下圖所示，按照比例設(shè)計(jì)一個(gè)采樣IGBT，并單獨(dú)引線到外部做采樣電路。圖中還包含了溫度傳感器，這里不展開講。主要聊聊電流傳感器。

電流傳感器的設(shè)計(jì)原理不復(fù)雜。從下圖中也可以看出，就是單獨(dú)引一些元胞，拿出來提供給外部回路做采樣用。從芯片實(shí)現(xiàn)上，只要在表面金屬化的時(shí)候，單獨(dú)隔離出來以小塊區(qū)域就可以了。如下圖所示。把單獨(dú)隔離出來的這一塊金屬化層與CS引線連接即可。

在IGBT芯片上設(shè)計(jì)電流傳感器不是新東西，在IGBT一誕生的時(shí)候就有了，其用法也比較簡單。最常用的方法就是通過采樣電阻來進(jìn)行采樣，將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

但是這種方式采樣有個(gè)缺點(diǎn)，就是不同溫度下，電流的比率是不一樣的。安森美的雙面模塊是帶有溫度傳感器的，在其應(yīng)用手冊里給出了在采樣電阻為10歐姆的時(shí)候，不同溫度下采樣電壓與Ic電流的比率關(guān)系?？梢钥闯?，變化還是很大的。對應(yīng)用還是有很大的影響的。比如驅(qū)動(dòng)設(shè)定過流報(bào)警的采樣電壓為0.3V。在25℃的時(shí)候，報(bào)警電流為1000A左右，但是在150℃的時(shí)候，730A左右就報(bào)警了。

出現(xiàn)這個(gè)問題是采樣電阻造成的，其原因后面講。改善的方法是讓這個(gè)電阻盡可能的小，同時(shí)還能采樣到合理的電壓值。方法就是如下圖所示。采用反相放大器來處理CS信號，同時(shí)將R2設(shè)置為0。對于反向發(fā)大器而言，輸出電壓Vout/R1=-Vcs/R2=-Ics。因此輸出電壓就等于-R1*Ics。這時(shí)候，基于虛短的概念（對于放大器而言，一般開環(huán)增益在100dB這時(shí)候，差模輸入電壓大概在100uV，這點(diǎn)電壓幾乎可以忽略不計(jì)。）且R2=0，這就實(shí)現(xiàn)了采樣電阻盡可能小，以至于零的目標(biāo)。

這樣，采樣部分的元胞和主元胞的工作回路幾乎一樣了，由采樣電阻導(dǎo)致的溫度的偏差就可以消除了。其效果安森美在其應(yīng)用手冊中也給出了示意圖，如下圖所示。

這種R2=0的反向放大器還有一個(gè)名稱叫跨導(dǎo)放大器，可以很好的解決這個(gè)問題。但是這個(gè)方案需要外部配置的器件較多，一個(gè)反向放大器處理之后，還需要一個(gè)反向放大器把電壓調(diào)理為正。這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)成本增加。

除此之外，前段時(shí)間華為公布了一個(gè)專利，即在芯片上配置一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的采樣二極管。通過二極管的溫度特性來補(bǔ)償采樣電壓的變化。專利文獻(xiàn)中沒有公布其效果。后面我們來分析一下其理論效果如何。

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研究概述

片上溫度傳感器的研究不多，主要是在IGBT剛剛產(chǎn)生的年代有一些。其中IGBT的發(fā)明人巴利加也是在92年第一次提出IGBT的片上電流傳感器方案。這些研究主要是基于電阻采樣下的傳感器性能研究，主要是兩個(gè)點(diǎn)，一個(gè)是大電流范圍內(nèi)的線性度；另外一個(gè)是溫度的相關(guān)性。他們都是由于采樣電阻的引入引起的。原因很簡單，采樣電阻Rsensor直接改變了線性關(guān)系，原本Rigbt_sensor與Rigbt_main在任意電流段都是固定比例關(guān)系的，引入采樣電阻后，這一關(guān)系就徹底改變了。第二，采樣電阻的溫度跟芯片不一致，且溫度熱性也不一致。那么溫度變化后，比例關(guān)系也是變化的。

IGBT片上電流傳感器的復(fù)雜主要在于其不同于單極性器件，電子和空穴都參與導(dǎo)電。相關(guān)的研究為了解決這些問題，提出了一些新的不同的電流傳感器形式，主要是對傳感器部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。如下圖所示。但是基本上，相對而言，還是IGBT結(jié)構(gòu)的傳感器具有更好的溫度特性，以及線性度。除了結(jié)構(gòu)的研究之外，工藝方面也有一些，包括電子輻照，離子注入的影響等。

上面的這些問題主要是由于采樣電阻改變了電流傳感器的比例關(guān)系，且溫度變化也會(huì)對之有影響的影響。這些研究在95年之后大概就基本沒有了，猜測可能是跟跨導(dǎo)放大器應(yīng)用于這個(gè)設(shè)計(jì)有關(guān)。因?yàn)榭鐚?dǎo)放大器從技術(shù)角度可以很好的解決線性度以及溫度導(dǎo)致的問題，從上面的公式來說就是采樣電阻接近于0了。那么這些問題就迎刃而解了，電流傳感器可以做到全電流范圍內(nèi)保持固定的比例關(guān)系，以及穩(wěn)定的溫度特性。其實(shí)本質(zhì)上，采用跨導(dǎo)放大器，就是電流測量。電阻采樣屬于電壓測量。

相關(guān)的研究再次出現(xiàn)就是2018年以后了，業(yè)內(nèi)主流廠家相繼推出相關(guān)實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，研究范圍主要是片上電流傳感器應(yīng)用于過流保護(hù)以及短路保護(hù)，以及應(yīng)用中的具體問題的分析和解決。

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應(yīng)用探討與問題分析

當(dāng)前片上電流傳感器主要應(yīng)用于過流檢測以及短路保護(hù)檢測等，與退保和保護(hù)相比，不僅僅可以進(jìn)行短路保護(hù)，也可以進(jìn)行過流保護(hù)。一般電流傳感器推薦通過外接一個(gè)大小為0.5-10歐姆左右的采樣電阻來實(shí)現(xiàn)檢測，這樣相比于退保和電路就簡單的多了，而且節(jié)省了幾個(gè)高壓二極管。

其實(shí)本質(zhì)上二者都屬于電壓檢測。退飽和電路是檢測Vce兩端的全部電壓，電流傳感器是檢測Vce兩端的部分電壓（傳感器IGBT分壓了一部分）。IGBT在工作的時(shí)候，在開通的狀態(tài)下可以讓驅(qū)動(dòng)回路檢測電壓，但是需要屏蔽關(guān)斷狀態(tài)下Vce兩端幾百伏以上的高壓。退保和是通過串聯(lián)高壓二極管的高耐壓來實(shí)現(xiàn)的；電流傳感器則是通過傳感器IGBT的關(guān)斷狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。前面提到，電流傳感器的推薦電阻一般很小，如果我們用一個(gè)很大的采樣電阻比如1kΩ（也不能太大達(dá)到MΩ級別，不然IGBT關(guān)斷時(shí)刻，采樣電阻就會(huì)采樣到很高的電壓）。那么這時(shí)候，采樣得到的就接近于Vce兩端的全部電壓。這時(shí)候，電流傳感器就退化成退保和電路了，可以實(shí)現(xiàn)退保和一樣的功能。

那么是不是說，電流傳感器就可以替代退保和保護(hù)呢，我認(rèn)為應(yīng)該還是可以的。雖然一般模塊內(nèi)部是多個(gè)芯片并聯(lián)，會(huì)存在并聯(lián)均流的問題。但是保護(hù)都是穩(wěn)態(tài)電流的過流保護(hù)，一般IGBT穩(wěn)態(tài)均流都還是不錯(cuò)的，這其實(shí)不算多大的問題。另外，相比于退保和電流要上到4倍甚至更高的額定電流，電流檢測可以在較小的電流時(shí)候，進(jìn)行保護(hù)，更好的保護(hù)器件的健康狀況。

退保和保護(hù)存在消隱時(shí)間，其實(shí)電流傳感器也需要消隱時(shí)間。如下圖所示，IGBT在開通的時(shí)候，一般會(huì)存在一個(gè)由FRD引起的電流尖峰。比較電路需要屏蔽掉這個(gè)時(shí)間段以避免誤觸發(fā)。如下圖中Zone(a)所示的區(qū)域。

另外仔細(xì)觀察，可以看到，上圖中，Ic電流穩(wěn)定之后，Vsense的電壓在米勒平臺(tái)過程中其實(shí)是逐漸下降，然后在結(jié)束米勒平臺(tái)之后，才進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的。產(chǎn)生這個(gè)問題的原因在于上面提到的，基于電阻采樣的電路本質(zhì)上是進(jìn)行電壓的測量。而米勒平臺(tái)這個(gè)階段，Vce兩端的電壓并不是直接降低到Vcesat的。而是逐漸降低，并在Vge電壓上升到額定電壓后，進(jìn)入穩(wěn)定的，也就是上面的Zone(b)區(qū)域。

所以，如果采用電阻采樣的方案，那么消隱時(shí)間的設(shè)定就要考慮到米勒平臺(tái)這段時(shí)間。如果采用跨導(dǎo)放大器，就像前面提到的，跨導(dǎo)放大器屬于電流測量，自然而然，采樣的數(shù)據(jù)可以和電流一直保持比例關(guān)系。進(jìn)入米勒平臺(tái)以后很快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，而不是需要等待整個(gè)米勒平臺(tái)結(jié)束。從而進(jìn)一步縮短保護(hù)相應(yīng)時(shí)間。

說來講去，就是采樣電阻方案不好。但是目前大家還多是用采樣電阻方案。原因也很簡單，便宜，可以用。更長的消隱時(shí)間IGBT其實(shí)是可以扛得住的。溫度導(dǎo)致的偏差，仔細(xì)設(shè)計(jì)保護(hù)點(diǎn)，也不是不能用。

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電阻采樣改進(jìn)方法

電阻采樣便宜可以用，但是溫度敏感是個(gè)小問題。有沒有方法改進(jìn)這個(gè)問題呢？前面提到華為申請的一個(gè)專利，即在芯片上面集成一個(gè)二極管，用二極管來代替采樣電阻。把二極管放在芯片上，就是二極管本身也引入了芯片溫度的影響。

前面說到，電阻采樣本質(zhì)上是電壓測量。從下圖IGBT的輸出特性曲線可以顯然看到，同樣1200A的輸出電流，175℃的時(shí)候,Vce電壓為2.1V，而25℃的時(shí)候卻為1.67V。這個(gè)圖是安森美雙面模塊的參數(shù)，后面就以這個(gè)模塊作為計(jì)算依據(jù)。

可以從溫度傳感器特性曲線上看出，采用10Ω采樣電阻條件下，1200A電流在175℃時(shí)候的電壓是0.495V，而25℃的采樣電壓則為0.384V。如果驅(qū)動(dòng)回路設(shè)置的保護(hù)點(diǎn)是0.5V的話，25℃時(shí)候的電流要到1600A才會(huì)動(dòng)作。我們下面驗(yàn)證一下，按照上述專利介紹的方案，采用片上二極管代替采樣電阻是否能改善這個(gè)問題。

安森美這個(gè)雙面模塊除了電流傳感器之外，還集成了一個(gè)溫度傳感器的二極管（多個(gè)串聯(lián)），其特性如下圖所示。那就試試按照這個(gè)二極管的特性，來設(shè)計(jì)一個(gè)二極管。

這個(gè)二極管規(guī)格太小，不太適合，我們需要一個(gè)壓降小一點(diǎn)，電流大一點(diǎn)的。因此不需要多個(gè)串聯(lián)，單個(gè)就可以。電流要做大一點(diǎn)，需要50mA的額定偏置電流。這樣一個(gè)二極管其特性如下圖所示。從下圖可以計(jì)算得到這個(gè)二極管的等效電阻在175℃的時(shí)候，約為10Ω，在25℃的時(shí)候約為15.8Ω。

那么下面計(jì)算閾值電壓為0.495V的時(shí)候，高低溫情況下分別的保護(hù)電流。計(jì)算過程如如下圖所示?？梢钥吹?，高溫時(shí)候，保護(hù)電流是1200A（2.1V），低溫的時(shí)候大概是1080A(1.56V)。很顯然的。低溫時(shí)候的保護(hù)電流從原來的1600A拉低為1080A。雖然有點(diǎn)多了，但是跟1200A很接近了。這基本上驗(yàn)證了，上述專利方案是具有可行性的。也可以進(jìn)一步對該二極管進(jìn)行工藝調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的溫度特性，實(shí)現(xiàn)恒定的過流保護(hù)點(diǎn)。

當(dāng)然具體的二極管的設(shè)計(jì)，筆者沒有展開，也不是很熟悉，這里只是提供了一個(gè)思路。從性能上，上面已經(jīng)論證了，肯定可以改善的。從成本上，目前在帶片上電流和溫度傳感器的芯片上增加這樣一個(gè)二極管，基本是不增加任何成本的。當(dāng)前業(yè)內(nèi)還沒有這么做的，應(yīng)該還是可以嘗試的。

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跨導(dǎo)放大器

跨導(dǎo)放大器肯定是好的，真正的電流測量采樣，比電壓測量采樣好得多，溫度特性穩(wěn)定，采樣誤差小。但是當(dāng)電流傳感器僅僅用于IGBT過流保護(hù)，短路保護(hù)的時(shí)候，其實(shí)跨導(dǎo)放大器就很難發(fā)揮其性能優(yōu)勢，反而只有成本劣勢。

那么就要考慮，基于電流測量采樣的跨導(dǎo)放大器是不是可以用于控制系統(tǒng)呢？以此來實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用。看了一些英飛凌，富士的文章，大家都覺得還是有前景的。安森美（仙童）更是進(jìn)一步做了一些設(shè)計(jì)。因?yàn)榘霕螂娐返碾娏魇欠植荚谏舷聵虮鄣腎GBT以及FRD里的，因此電流是斷續(xù)的，如下圖所示。

如果要得到連續(xù)的采樣電流，就需要根據(jù)開關(guān)周期對這個(gè)電流進(jìn)行采樣?；蛘哂谜{(diào)理電路，將毛刺濾波，把電流連接起來，如下圖所示。需要注意的是，當(dāng)輸出電流為正的時(shí)候，用到上橋臂IGBT的電流采樣；輸出電流為負(fù)的時(shí)候，用到的是下橋臂IGBT的電流采樣。然后再把二者整合到一起，才能算作是輸出電流。且不提與普通電流傳感器相比采樣精度，溫度穩(wěn)定性等性能。單單這一套采樣電路就夠復(fù)雜的了，而且由于片上電流傳感器的采樣信號還需要做隔離設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)上增加一套隔離模擬信號處理可能增本增加有限，但是對信號的精度，延遲特性也都有不利的影響。所以很難說，用這個(gè)片上電流傳感器比外部配置電流傳感器會(huì)有性價(jià)比優(yōu)勢。

應(yīng)用于控制系統(tǒng)，基于跨導(dǎo)放大器的電流傳感器可能還不具有優(yōu)勢。不過考慮到跨導(dǎo)放大器方案的特點(diǎn)是電流采樣，以及消隱時(shí)間短。其實(shí)在對速度要求比較高的場合是可以應(yīng)用的。比如SiC，或者GaN。當(dāng)應(yīng)用一定要求要有短路能力的時(shí)候，設(shè)計(jì)片上電流傳感器結(jié)合跨導(dǎo)放大器可以在非常短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)短路關(guān)閉（GaN可以做到500ns以內(nèi)保護(hù)），以實(shí)現(xiàn)短路能力的保障。

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總結(jié)

總結(jié)而言，目前基于跨導(dǎo)放大器的電流傳感器采樣設(shè)計(jì)還是有其應(yīng)用的局限性的。應(yīng)用于SiC或者GaN的快速短路保護(hù)是一個(gè)可能方向。電阻采樣的電流傳感器方案應(yīng)用于過流保護(hù)目前主要的問題是溫度穩(wěn)定性。前面論證了，用集成在芯片上的二極管代替在驅(qū)動(dòng)回路中的采樣電阻可以更好的實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定性。雖然這個(gè)已經(jīng)被申請專利，不過也可以有別的方法。這個(gè)思路的核心是利用采樣器件的負(fù)溫度特性，來補(bǔ)償。那么我們也可以把采樣電阻換成負(fù)溫度系數(shù)的電阻，然后把這個(gè)電阻放置在模塊內(nèi)部DBC上或者其他的什么會(huì)發(fā)熱的地方，基本也能實(shí)現(xiàn)類似的效果。雖然性能可能沒有專利方案好。但是應(yīng)該是可以搞一個(gè)夠用的方案的。







審核編輯：劉清