[發明專利]一種集成到功率模塊內部的開關電流測量方法

在審

• 申請號: 202210532828.6
• 申請日: 2022-05-11
• 公開（公告）號: CN114878895A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 辛振;蒙慧;石亞飛;康建龍
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01R15/18;G01R1/30
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 蔡運紅

本發明為一種集成到功率模塊內部的開關電流測量方法，該方法使用的電流傳感器包括羅氏線圈和處理電路；兩個羅氏線圈集成在功率模塊內部組成一個差分羅氏線圈，處理電路位于功率模塊外，兩個羅氏線圈的輸出端與處理電路的輸入端連接，兩個羅氏線圈的接地端與處理電路的接地端連接；羅氏線圈呈平面刻蝕在功率模塊內部封裝結構的DBC基板上銅層的孤島結構上，羅氏線圈與DBC基板上銅層沒有任何電氣連接，功率模塊的被測開關電流的載流導體位于羅氏線圈的上方且與羅氏線圈不接觸，兩個羅氏線圈對稱位于載流導體的兩側。能夠在不改變功率模塊現有封裝結構的前提下，僅通過改變部分結構布局將羅氏線圈集成到功率模塊內部，解決了現有羅氏線圈寬頻帶和電流傳感器難集成的問題。

技術領域

本發明屬于開關電流測量技術領域，具體是一種集成到功率模塊內部的開關電流測量方法。

背景技術

電流傳感器在現代電力電子系統中起著至關重要的作用，功率器件的開關電流信息是電力電子故障保護、健康監測和控制所需的共性關鍵信息。目前，針對電力電子系統中的電流傳感技術已經開展了廣泛的研究工作，可以通過分流器、電流互感器、羅氏線圈、霍爾傳感器和磁阻傳感器等測量電流。

分流器最具成本效益，雖然基于歐姆定律的工作原理簡單，但實際的電流分流器存在固有電感，這限制了其測量精度和帶寬(從直流到幾十兆赫茲)；此外，在高頻情況下，由于趨膚效應的影響導致分流器的阻值發生改變，故分流器無法準確測量功率模塊的開關電流。雖然商用的同軸分流器解決了帶寬問題，但其結構通常為圓柱形，尺寸較大，不適合集成到功率模塊內部。電流互感器雖然具有隔離、耗電少等優點，但是由于在實際應用中通常會使用磁芯材料，故存在磁芯飽和、尺寸和成本增加等問題，同時由于電流互感器會在載流導體上引入額外的電感，這會影響功率模塊的高頻性能。霍爾傳感器是一種基于霍爾效應的磁場傳感器，是一種帶隔離、非侵入式傳感器，可用于直流到交流的電流測量，但由于存在磁飽和現象，其帶寬通常只有幾百千赫茲，無法準確測量功率模塊的開關電流信息。

羅氏線圈是一種空心線圈，不存在磁芯飽和問題，同時還具有高帶寬、測量范圍大、隔離、非侵入以及易集成等優點，是集成到功率模塊內部測量開關電流的電流傳感器的良好選擇。圖1為傳統羅氏線圈測量開關電流的原理圖，但是商用羅氏線圈多為柔性羅氏線圈，存在體積大、難固定等問題，無法集成到功率模塊內部；傳統PCB羅氏線圈多采用玻璃纖維環氧樹脂FR-4材料制成，FR-4的“玻璃轉化溫度”通常在135℃以下，而目前功率模塊的最高工作溫度普遍可達150℃甚至175℃，高溫會使FR-4由玻璃態轉變為高彈態并發生明顯形變，進而對傳統PCB羅氏線圈的結構參數造成不可逆影響，因此傳統PCB羅氏線圈也不適合集成到功率模塊內部。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種集成到功率模塊內部的開關電流測量方法，將羅氏線圈集成到功率模塊內部，羅氏線圈輸出端與位于功率模塊外部的處理電路連接，旨在解決現有羅氏線圈寬頻帶和電流傳感器難集成的問題。傳統的羅氏線圈纏繞在非磁性骨架上，存在繞線不均勻、體積大等問題，而在本申請采用兩個羅氏線圈構成一個差分羅氏線圈，可以很好地解決繞線不均的問題，并且體積小、結構緊湊易集成，提高了電流傳感器的抗干擾性。

為了實現上述目的，本申請的技術方案是：

一種集成到功率模塊內部的開關電流測量方法，該方法使用的電流傳感器包括羅氏線圈和處理電路；兩個羅氏線圈集成在功率模塊內部組成一個差分羅氏線圈，處理電路位于功率模塊外，兩個羅氏線圈的輸出端與處理電路的輸入端連接，兩個羅氏線圈的接地端與處理電路的接地端連接；