如今，運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測已成為功率模塊的一個(gè)組成部分。在功率模塊中，溫度傳感器已或多或少地成為標(biāo)準(zhǔn)配置，甚至連電流傳感器也正越來越廣泛被采用。事實(shí)上，與外置傳感器解決方案相比，集成傳感器是更具有成本效益的解決方案，它為用戶帶來附加的保護(hù)功能，同時(shí)減小了模塊的體積。
電流傳感器

　　如果一個(gè)功率模塊配備了電流傳感器，其信號主要是用作輸出電流控制（例如：在傳動應(yīng)用中），并且還可以起到保護(hù)器件的作用。電機(jī)控制的需求確定電流傳感器的特性。在許多情況下，故障（包括溫度漂移）都必須低于1 ... 2%。對溫度（-40℃～125℃）和低電流損耗的要求是通過功率模塊自身來設(shè)定的。器件保護(hù)功能設(shè)定過流能力（最大短路電流為額定電流的5倍），上限截止頻率（> 100khz）。

　　對于中低功率器件，使用電流分流器是一個(gè)精確且低成本高效率的解決方案。電流限額約為30a～40a。不足之處是有額外的功率損耗，并且如果分流器用于測量發(fā)射極電流，將會失去隔離且igbt柵極信號中存在干擾。

　　對于高性能和大功率半導(dǎo)體模塊，一般使用電氣隔離的傳感器。無補(bǔ)償電流的純霍爾效應(yīng)傳感器在誤差和溫度穩(wěn)定性方面的性能較差。傳感器可用在用戶指定的模塊中，因?yàn)檫@些模塊中的需求定義的很清楚。具有高線性度和低溫度漂移的傳感器與補(bǔ)償電流一起運(yùn)作。該電流抵消傳感器核心內(nèi)測量電流的磁場。補(bǔ)償電流放大器的控制信號由霍爾效應(yīng)、磁場或磁阻探頭提供。

　　對于像賽米控skiip系統(tǒng)這樣的智能功率模塊（ipm），由于最終應(yīng)用對于高性能的要求，使用高精度的傳感器是最合適的。在最終應(yīng)用中，傳感器直接集成在模塊的外殼中，環(huán)繞主端子以節(jié)省空間（圖1）。用于信號監(jiān)測和轉(zhuǎn)換的評估電路是驅(qū)動器電路的一部分。特殊設(shè)計(jì)的asic芯片保證高集成度和高可靠性，這在采用外部傳感器的方案中是難以實(shí)現(xiàn)。

　　在ipm內(nèi)部，電流監(jiān)測電路與驅(qū)動器電路直接相連。它可以在最短時(shí)間內(nèi)檢測到外部短路，并且可在2～3µs內(nèi)關(guān)斷功率半導(dǎo)體。未來，這一特性將變得越來越重要，因?yàn)榕c過去的igbt允許10 µs的短路時(shí)間相比，新一代igbt只允許6 µs的短路時(shí)間。

　　電壓源逆變電路ac端子處的電流傳感器不能檢測到逆變橋內(nèi)的短路。這里，通過監(jiān)測vce(sat)，處于開態(tài)的半導(dǎo)體的斜率電阻用于保護(hù)目的。該方法對于短路保護(hù)是足夠的，但并不適合電流的測量。

　　圖1：ac端子集成了電流傳感器的skiip功率模塊

　　溫度傳感器

　　對于器件保護(hù)而言，有幾種溫度傳感器可供使用。這些傳感器具有負(fù)溫度系數(shù)（ntc）或正溫度系數(shù)（ptc）。標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)模塊中使用最多的是ntc傳感器。賽米控使用自己的硅芯片傳感器skcs，該傳感器為ptc特性、具有線性度高和誤差小的特點(diǎn)。配合適合的監(jiān)測電路，諸如skiip的ipm提供一個(gè)模擬輸出信號用于溫度測量和故障率低于5°c的保護(hù)功能。

　　傳感器在模塊內(nèi)的位置在很大程度上影響其溫度保護(hù)的能力。事實(shí)上，在這方面?zhèn)鞲衅鞯奈恢帽葌鞲衅鞯恼`差更重要。如果硬件斷路電平由驅(qū)動器或控制電路設(shè)置，則尤為如此。

　　圖2：功率模塊內(nèi)有關(guān)不同溫度傳感器位置的案例研究和溫度模式圖

　　對不同位置傳感器所帶來的影響進(jìn)行了一項(xiàng)研究。功率模塊的一個(gè)模型如圖 2所示。該模塊沒有銅底板，安裝在一個(gè)風(fēng)冷鋁散熱器上。不同傳感器的熱耦合不同，從傳感器a）在同一銅層上與功率半導(dǎo)體直接相連，到傳感器b）和c）在模塊內(nèi)不同位置進(jìn)行隔離，到放置在散熱器上模塊旁的傳感器d）。由于不同的熱耦合，每個(gè)傳感器有不同的結(jié)（ j ）到傳感器（r）熱阻rth(j-r)。

　　用于過熱保護(hù)的斷路電平可在準(zhǔn)靜態(tài)條件為每個(gè)傳感器設(shè)定。例如，如果tj 不能超過140°c，則所研究案例系統(tǒng)的“過熱關(guān)斷”斷路電平將從120°c（傳感器a）、110°c（傳感器b）、100°c（傳感器c）至70°c（傳感器d）不等。源和傳感器之間的耦合越好，冷卻系統(tǒng)的影響越低。這是集成解決方案的一個(gè)很大的優(yōu)勢。

　　不過，對于其他冷卻條件（散熱材料和根基厚度、冷卻介質(zhì)、導(dǎo)熱硅脂厚度），斷路電平不得不設(shè)定為新的值。這使得ipm的制造商很難為任意給定的應(yīng)用將過熱斷路電平設(shè)定至一個(gè)適當(dāng)值。為此，傳感器信號應(yīng)由外部上位控制器進(jìn)行監(jiān)測，并且如果需要的話，熱保護(hù)電平應(yīng)與冷卻系統(tǒng)相匹配。

　　為顯示冷卻系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，導(dǎo)熱硅脂層的厚度由原來的50 µm增加至100 µm。由于傳感器a與功率半導(dǎo)體有著最佳的熱耦合，因此可以看出