探讨一下IGBT的片上电流传感器基本原理及用法

基本介绍

片上电流传感器的电气原理图如下图所示，按照比例设计一个采样IGBT，并单独引线到外部做采样电路。图中还包含了温度传感器，这里不展开讲。主要聊聊电流传感器。

电流传感器的设计原理不复杂。从下图中也可以看出，就是单独引一些元胞，拿出来提供给外部回路做采样用。从芯片实现上，只要在表面金属化的时候，单独隔离出来以小块区域就可以了。如下图所示。把单独隔离出来的这一块金属化层与CS引线连接即可。

在IGBT芯片上设计电流传感器不是新东西，在IGBT一诞生的时候就有了，其用法也比较简单。最常用的方法就是通过采样电阻来进行采样，将电流信号转换为电压信号。

但是这种方式采样有个缺点，就是不同温度下，电流的比率是不一样的。安森美的双面模块是带有温度传感器的，在其应用手册里给出了在采样电阻为10欧姆的时候，不同温度下采样电压与Ic电流的比率关系。可以看出，变化还是很大的。对应用还是有很大的影响的。比如驱动设定过流报警的采样电压为0.3V。在25℃的时候，报警电流为1000A左右，但是在150℃的时候，730A左右就报警了。

出现这个问题是采样电阻造成的，其原因后面讲。改善的方法是让这个电阻尽可能的小，同时还能采样到合理的电压值。方法就是如下图所示。采用反相放大器来处理CS信号，同时将R2设置为0。对于反向发大器而言，输出电压Vout/R1=-Vcs/R2=-Ics。因此输出电压就等于-R1*Ics。这时候，基于虚短的概念（对于放大器而言，一般开环增益在100dB这时候，差模输入电压大概在100uV，这点电压几乎可以忽略不计。）且R2=0，这就实现了采样电阻尽可能小，以至于零的目标。

这样，采样部分的元胞和主元胞的工作回路几乎一样了，由采样电阻导致的温度的偏差就可以消除了。其效果安森美在其应用手册中也给出了示意图，如下图所示。

这种R2=0的反向放大器还有一个名称叫跨导放大器，可以很好的解决这个问题。但是这个方案需要外部配置的器件较多，一个反向放大器处理之后，还需要一个反向放大器把电压调理为正。这会导致系统复杂，同时成本增加。

除此之外，前段时间华为公布了一个专利，即在芯片上配置一个具有负温度系数的采样二极管。通过二极管的温度特性来补偿采样电压的变化。专利文献中没有公布其效果。后面我们来分析一下其理论效果如何。

 

研究概述

片上温度传感器的研究不多，主要是在IGBT刚刚产生的年代有一些。其中IGBT的发明人巴利加也是在92年第一次提出IGBT的片上电流传感器方案。这些研究主要是基于电阻采样下的传感器性能研究，主要是两个点，一个是大电流范围内的线性度；另外一个是温度的相关性。他们都是由于采样电阻的引入引起的。原因很简单，采样电阻Rsensor直接改变了线性关系，原本Rigbt_sensor与Rigbt_main在任意电流段都是固定比例关系的，引入采样电阻后，这一关系就彻底改变了。第二，采样电阻的温度跟芯片不一致，且温度热性也不一致。那么温度变化后，比例关系也是变化的。

IGBT片上电流传感器的复杂主要在于其不同于单极性器件，电子和空穴都参与导电。相关的研究为了解决这些问题，提出了一些新的不同的电流传感器形式，主要是对传感器部分的结构进行改进。如下图所示。但是基本上，相对而言，还是IGBT结构的传感器具有更好的温度特性，以及线性度。除了结构的研究之外，工艺方面也有一些，包括电子辐照，离子注入的影响等。

上面的这些问题主要是由于采样电阻改变了电流传感器的比例关系，且温度变化也会对之有影响的影响。这些研究在95年之后大概就基本没有了，猜测可能是跟跨导放大器应用于这个设计有关。因为跨导放大器从技术角度可以很好的解决线性度以及温度导致的问题，从上面的公式来说就是采样电阻接近于0了。那么这些问题就迎刃而解了，电流传感器可以做到全电流范围内保持固定的比例关系，以及稳定的温度特性。其实本质上，采用跨导放大器，就是电流测量。电阻采样属于电压测量。

相关的研究再次出现就是2018年以后了，业内主流厂家相继推出相关实际应用的产品，研究范围主要是片上电流传感器应用于过流保护以及短路保护，以及应用中的具体问题的分析和解决。

 

应用探讨与问题分析

当前片上电流传感器主要应用于过流检测以及短路保护检测等，与退保和保护相比，不仅仅可以进行短路保护，也可以进行过流保护。一般电流传感器推荐通过外接一个大小为0.5-10欧姆左右的采样电阻来实现检测，这样相比于退保和电路就简单的多了，而且节省了几个高压二极管。

其实本质上二者都属于电压检测。退饱和电路是检测Vce两端的全部电压，电流传感器是检测Vce两端的部分电压（传感器IGBT分压了一部分）。IGBT在工作的时候，在开通的状态下可以让驱动回路检测电压，但是需要屏蔽关断状态下Vce两端几百伏以上的高压。退保和是通过串联高压二极管的高耐压来实现的；电流传感器则是通过传感器IGBT的关断状态来实现的。前面提到，电流传感器的推荐电阻一般很小，如果我们用一个很大的采样电阻比如1kΩ（也不能太大达到MΩ级别，不然IGBT关断时刻，采样电阻就会采样到很高的电压）。那么这时候，采样得到的就接近于Vce两端的全部电压。这时候，电流传感器就退化成退保和电路了，可以实现退保和一样的功能。

那么是不是说，电流传感器就可以替代退保和保护呢，我认为应该还是可以的。虽然一般模块内部是多个芯片并联，会存在并联均流的问题。但是保护都是稳态电流的过流保护，一般IGBT稳态均流都还是不错的，这其实不算多大的问题。另外，相比于退保和电流要上到4倍甚至更高的额定电流，电流检测可以在较小的电流时候，进行保护，更好的保护器件的健康状况。

退保和保护存在消隐时间，其实电流传感器也需要消隐时间。如下图所示，IGBT在开通的时候，一般会存在一个由FRD引起的电流尖峰。比较电路需要屏蔽掉这个时间段以避免误触发。如下图中Zone(a)所示的区域。

另外仔细观察，可以看到，上图中，Ic电流稳定之后，Vsense的电压在米勒平台过程中其实是逐渐下降，然后在结束米勒平台之后，才进入稳定状态的。产生这个问题的原因在于上面提到的，基于电阻采样的电路本质上是进行电压的测量。而米勒平台这个阶段，Vce两端的电压并不是直接降低到Vcesat的。而是逐渐降低，并在Vge电压上升到额定电压后，进入稳定的，也就是上面的Zone(b)区域。

所以，如果采用电阻采样的方案，那么消隐时间的设定就要考虑到米勒平台这段时间。如果采用跨导放大器，就像前面提到的，跨导放大器属于电流测量，自然而然，采样的数据可以和电流一直保持比例关系。进入米勒平台以后很快进入稳定状态，而不是需要等待整个米勒平台结束。从而进一步缩短保护相应时间。

说来讲去，就是采样电阻方案不好。但是目前大家还多是用采样电阻方案。原因也很简单，便宜，可以用。更长的消隐时间IGBT其实是可以扛得住的。温度导致的偏差，仔细设计保护点，也不是不能用。

 

电阻采样改进方法

电阻采样便宜可以用，但是温度敏感是个小问题。有没有方法改进这个问题呢？前面提到华为申请的一个专利，即在芯片上面集成一个二极管，用二极管来代替采样电阻。把二极管放在芯片上，就是二极管本身也引入了芯片温度的影响。

前面说到，电阻采样本质上是电压测量。从下图IGBT的输出特性曲线可以显然看到，同样1200A的输出电流，175℃的时候,Vce电压为2.1V，而25℃的时候却为1.67V。这个图是安森美双面模块的参数，后面就以这个模块作为计算依据。

可以从温度传感器特性曲线上看出，采用10Ω采样电阻条件下，1200A电流在175℃时候的电压是0.495V，而25℃的采样电压则为0.384V。如果驱动回路设置的保护点是0.5V的话，25℃时候的电流要到1600A才会动作。我们下面验证一下，按照上述专利介绍的方案，采用片上二极管代替采样电阻是否能改善这个问题。

安森美这个双面模块除了电流传感器之外，还集成了一个温度传感器的二极管（多个串联），其特性如下图所示。那就试试按照这个二极管的特性，来设计一个二极管。

这个二极管规格太小，不太适合，我们需要一个压降小一点，电流大一点的。因此不需要多个串联，单个就可以。电流要做大一点，需要50mA的额定偏置电流。这样一个二极管其特性如下图所示。从下图可以计算得到这个二极管的等效电阻在175℃的时候，约为10Ω，在25℃的时候约为15.8Ω。

那么下面计算阈值电压为0.495V的时候，高低温情况下分别的保护电流。计算过程如如下图所示。可以看到，高温时候，保护电流是1200A（2.1V），低温的时候大概是1080A(1.56V)。很显然的。低温时候的保护电流从原来的1600A拉低为1080A。虽然有点多了，但是跟1200A很接近了。这基本上验证了，上述专利方案是具有可行性的。也可以进一步对该二极管进行工艺调整，实现更稳定的温度特性，实现恒定的过流保护点。

当然具体的二极管的设计，笔者没有展开，也不是很熟悉，这里只是提供了一个思路。从性能上，上面已经论证了，肯定可以改善的。从成本上，目前在带片上电流和温度传感器的芯片上增加这样一个二极管，基本是不增加任何成本的。当前业内还没有这么做的，应该还是可以尝试的。

 

跨导放大器

跨导放大器肯定是好的，真正的电流测量采样，比电压测量采样好得多，温度特性稳定，采样误差小。但是当电流传感器仅仅用于IGBT过流保护，短路保护的时候，其实跨导放大器就很难发挥其性能优势，反而只有成本劣势。

那么就要考虑，基于电流测量采样的跨导放大器是不是可以用于控制系统呢？以此来实现更好的应用。看了一些英飞凌，富士的文章，大家都觉得还是有前景的。安森美（仙童）更是进一步做了一些设计。因为半桥电路的电流是分布在上下桥臂的IGBT以及FRD里的，因此电流是断续的，如下图所示。

如果要得到连续的采样电流，就需要根据开关周期对这个电流进行采样。或者用调理电路，将毛刺滤波，把电流连接起来，如下图所示。需要注意的是，当输出电流为正的时候，用到上桥臂IGBT的电流采样；输出电流为负的时候，用到的是下桥臂IGBT的电流采样。然后再把二者整合到一起，才能算作是输出电流。且不提与普通电流传感器相比采样精度，温度稳定性等性能。单单这一套采样电路就够复杂的了，而且由于片上电流传感器的采样信号还需要做隔离设计。驱动上增加一套隔离模拟信号处理可能增本增加有限，但是对信号的精度，延迟特性也都有不利的影响。所以很难说，用这个片上电流传感器比外部配置电流传感器会有性价比优势。

应用于控制系统，基于跨导放大器的电流传感器可能还不具有优势。不过考虑到跨导放大器方案的特点是电流采样，以及消隐时间短。其实在对速度要求比较高的场合是可以应用的。比如SiC，或者GaN。当应用一定要求要有短路能力的时候，设计片上电流传感器结合跨导放大器可以在非常短的时间内实现短路关闭（GaN可以做到500ns以内保护），以实现短路能力的保障。

 

总结

总结而言，目前基于跨导放大器的电流传感器采样设计还是有其应用的局限性的。应用于SiC或者GaN的快速短路保护是一个可能方向。电阻采样的电流传感器方案应用于过流保护目前主要的问题是温度稳定性。前面论证了，用集成在芯片上的二极管代替在驱动回路中的采样电阻可以更好的实现温度的稳定性。虽然这个已经被申请专利，不过也可以有别的方法。这个思路的核心是利用采样器件的负温度特性，来补偿。那么我们也可以把采样电阻换成负温度系数的电阻，然后把这个电阻放置在模块内部DBC上或者其他的什么会发热的地方，基本也能实现类似的效果。虽然性能可能没有专利方案好。但是应该是可以搞一个够用的方案的。







审核编辑：刘清