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)計一個采樣IGBT，并單獨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)計原理不復雜。從下圖中也可以看出，就是單獨引一些元胞，拿出來提供給外部回路做采樣用。從芯片實現(xiàn)上，只要在表面金屬化的時候，單獨隔離出來以小塊區(qū)域就可以了。如下圖所示。把單獨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)計電流傳感器不是新東西，在IGBT一誕生的時候就有了，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缺點，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，在其應用手冊里給出了在采樣電阻為10歐姆的時候，不同溫度下采樣電壓與Ic電流的比率關(guān)系。可以看出，變化還是很大的。對應用還是有很大的影響的。比如驅(qū)動設(shè)定過流報警的采樣電壓為0.3V。在25℃的時候，報警電流為1000A左右，但是在150℃的時候，730A左右就報警了。

出現(xiàn)這個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電阻盡可能的小，同時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這時候，差模輸入電壓大概在100uV，這點電壓幾乎可以忽略不計。）且R2=0，這就實現(xiàn)了采樣電阻盡可能小，以至于零的目標。

這樣，采樣部分的元胞和主元胞的工作回路幾乎一樣了，由采樣電阻導致的溫度的偏差就可以消除了。其效果安森美在其應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名稱叫跨導放大器，可以很好的解決這個問題。但是這個方案需要外部配置的器件較多，一個反向放大器處理之后，還需要一個反向放大器把電壓調(diào)理為正。這會導致系統(tǒng)復雜，同時成本增加。

除此之外，前段時間華為公布了一個專利，即在芯片上配置一個具有負溫度系數(shù)的采樣二極管。通過二極管的溫度特性來補償采樣電壓的變化。專利文獻中沒有公布其效果。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，主要是兩個點，一個是大電流范圍內(nèi)的線性度；另外一個是溫度的相關(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雜主要在于其不同于單極性器件，電子和空穴都參與導電。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)進行改進。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，猜測可能是跟跨導放大器應用于這個設(shè)計有關(guān)。因為跨導放大器從技術(shù)角度可以很好的解決線性度以及溫度導致的問題，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。其實本質(zhì)上，采用跨導放大器，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)實際應用的產(chǎn)品，研究范圍主要是片上電流傳感器應用于過流保護以及短路保護，以及應用中的具體問題的分析和解決。

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應用探討與問題分析

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

其實本質(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在工作的時候，在開通的狀態(tài)下可以讓驅(qū)動回路檢測電壓，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，如果我們用一個很大的采樣電阻比如1kΩ（也不能太大達到MΩ級別，不然IGBT關(guān)斷時刻，采樣電阻就會采樣到很高的電壓）。那么這時候，采樣得到的就接近于Vce兩端的全部電壓。這時候，電流傳感器就退化成退保和電路了，可以實現(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呢，我認為應該還是可以的。雖然一般模塊內(nèi)部是多個芯片并聯(lián)，會存在并聯(lián)均流的問題。但是保護都是穩(wěn)態(tài)電流的過流保護，一般IGBT穩(wěn)態(tài)均流都還是不錯的，這其實不算多大的問題。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候，進行保護，更好的保護器件的健康狀況。

退保和保護存在消隱時間，其實電流傳感器也需要消隱時間。如下圖所示，IGBT在開通的時候，一般會存在一個由FRD引起的電流尖峰。比較電路需要屏蔽掉這個時間段以避免誤觸發(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的電壓在米勒平臺過程中其實是逐漸下降，然后在結(jié)束米勒平臺之后，才進入穩(wěn)定狀態(tài)的。產(chǎn)生這個問題的原因在于上面提到的，基于電阻采樣的電路本質(zhì)上是進行電壓的測量。而米勒平臺這個階段，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，那么消隱時間的設(shè)定就要考慮到米勒平臺這段時間。如果采用跨導放大器，就像前面提到的，跨導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。進入米勒平臺以后很快進入穩(wěn)定狀態(tài)，而不是需要等待整個米勒平臺結(jié)束。從而進一步縮短保護相應時間。

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。更長的消隱時間IGBT其實是可以扛得住的。溫度導致的偏差，仔細設(shè)計保護點，也不是不能用。

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電阻采樣改進方法

電阻采樣便宜可以用，但是溫度敏感是個小問題。有沒有方法改進這個問題呢？前面提到華為申請的一個專利，即在芯片上面集成一個二極管，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℃的時候,Vce電壓為2.1V，而25℃的時候卻為1.67V。這個圖是安森美雙面模塊的參數(shù)，后面就以這個模塊作為計算依據(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℃時候的電壓是0.495V，而25℃的采樣電壓則為0.384V。如果驅(qū)動回路設(shè)置的保護點是0.5V的話，25℃時候的電流要到1600A才會動作。我們下面驗證一下，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問題。

安森美這個雙面模塊除了電流傳感器之外，還集成了一個溫度傳感器的二極管（多個串聯(lián)），其特性如下圖所示。那就試試按照這個二極管的特性，來設(shè)計一個二極管。

這個二極管規(guī)格太小，不太適合，我們需要一個壓降小一點，電流大一點的。因此不需要多個串聯(lián)，單個就可以。電流要做大一點，需要50mA的額定偏置電流。這樣一個二極管其特性如下圖所示。從下圖可以計算得到這個二極管的等效電阻在175℃的時候，約為10Ω，在25℃的時候約為15.8Ω。

那么下面計算閾值電壓為0.495V的時候，高低溫情況下分別的保護電流。計算過程如如下圖所示。可以看到，高溫時候，保護電流是1200A（2.1V），低溫的時候大概是1080A(1.56V)。很顯然的。低溫時候的保護電流從原來的1600A拉低為1080A。雖然有點多了，但是跟1200A很接近了。這基本上驗證了，上述專利方案是具有可行性的。也可以進一步對該二極管進行工藝調(diào)整，實現(xiàn)更穩(wěn)定的溫度特性，實現(xiàn)恒定的過流保護點。

當然具體的二極管的設(shè)計，筆者沒有展開，也不是很熟悉，這里只是提供了一個思路。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二極管，基本是不增加任何成本的。當前業(yè)內(nèi)還沒有這么做的，應該還是可以嘗試的。

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跨導放大器

跨導放大器肯定是好的，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。但是當電流傳感器僅僅用于IGBT過流保護，短路保護的時候，其實跨導放大器就很難發(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放大器是不是可以用于控制系統(tǒng)呢？以此來實現(xiàn)更好的應用。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）更是進一步做了一些設(shè)計。因為半橋電路的電流是分布在上下橋臂的IGBT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)周期對這個電流進行采樣。或者用調(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，當輸出電流為正的時候，用到上橋臂IGBT的電流采樣；輸出電流為負的時候，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。驅(qū)動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，用這個片上電流傳感器比外部配置電流傳感器會有性價比優(yōu)勢。

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

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總結(jié)

總結(jié)而言，目前基于跨導放大器的電流傳感器采樣設(shè)計還是有其應用的局限性的。應用于SiC或者GaN的快速短路保護是一個可能方向。電阻采樣的電流傳感器方案應用于過流保護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)動回路中的采樣電阻可以更好的實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定性。雖然這個已經(jīng)被申請專利，不過也可以有別的方法。這個思路的核心是利用采樣器件的負溫度特性，來補償。那么我們也可以把采樣電阻換成負溫度系數(shù)的電阻，然后把這個電阻放置在模塊內(nèi)部DBC上或者其他的什么會發(fā)熱的地方，基本也能實現(xiàn)類似的效果。雖然性能可能沒有專利方案好。但是應該是可以搞一個夠用的方案的。







審核編輯：劉清