← 返回
基于混合传感器的键合线电流检测非接触式功率模块电流测量
Noncontact Power Module Current Measurement Based on Bonding Wire Current Sensing Using Hybrid Sensor
| 作者 | Weili Guo · Guochun Xiao · Laili Wang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 功率模块 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 功率模块 实时电流监测 非接触式电流传感 混合传感器 电流不平衡检测 |
语言:
中文摘要
在大电流、高功率应用中,与分立器件相比,设计人员往往更倾向于使用半导体功率模块。引线键合功率模块是应用最为广泛的类型。引线键合功率模块内部集成了多个功率半导体芯片。该器件呈现出复杂的多物理场耦合特性,其中热量和机械应力的不均匀分布会导致电流分布不均。因此,对功率模块进行实时电流监测是提高其可靠性的有效途径。然而,传统的电流测量方法是监测功率模块的外部电流,无法实时检测流经每个功率半导体芯片的电流,且难以集成到模块内部。本文介绍了一种利用磁阻 - 罗氏线圈型混合传感器实现的键合线非接触式电流传感技术。该传感器设计在多层印刷电路板上。本文研究了键合线周围的磁场,并设计了一个简单的信号处理电路。提出了电流系统参数的设计方法。该传感器尺寸为 10.0×10.0 毫米。根据集总模型,其测量带宽从直流到 100 兆赫兹。该混合传感器能够准确测量单芯片功率模块的周期性电流、开通电流和关断电流,并且在多芯片电流测量中能够检测芯片之间的电流不平衡。
English Abstract
In applications with high current and high power, designers tend to prefer the use of semiconductor power modules over discrete devices. The wire-bonding power module is the most widely used type. The wire-bonding power module integrates multiple power semiconductor chips internally. The device exhibits complex multiphysics coupling, where uneven distribution of heat and mechanical stress can result in uneven current distribution. Therefore, real-time current monitoring of power modules is an effective approach to enhance their reliability. However, traditional methods of measuring current involve monitoring the external current of the power module, which cannot provide real-time detection of the current flowing through each power semiconductor chip and is hard to integrate within the module. This article introduces contactless current sensing of bonding wires utilizing a magnetoresistance-Rogowski coil type hybrid sensor. The sensor is designed in a multilayer printed circuit board. The magnetic field around bonding wires is studied, and a simple signal processing circuit is designed. The design approach of the current system’s parameters is proposed. The sensor has dimensions of 10.0 × 10.0 mm. According to lumped model, it has a measurement bandwidth from dc to 100 MHz. The hybrid sensor accurately measures periodic, turn-on, and turn-off currents for single-chip power module current measurement and detects current imbalances between chips in multichip current measurement.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于混合传感器的功率模块非接触式电流测量技术具有重要的应用价值。我司光伏逆变器和储能变流器产品中大量采用大功率IGBT/SiC模块,这些模块内部多芯片并联工作时的电流不均衡问题一直是影响系统可靠性和寿命的关键因素。
该技术的核心创新在于通过磁阻-罗氏线圈混合传感器实现对键合线电流的非接触式测量,能够监测单个芯片级别的电流分布。这对我司产品具有三方面价值:首先,在产品设计阶段,可精确评估多芯片并联时的电流均流特性,优化热设计和栅极驱动参数;其次,在生产测试环节,能够快速识别功率模块内部的工艺缺陷和芯片性能差异;最重要的是,该技术为实现功率模块的状态监测和预测性维护提供了可能,这与我司智慧能源管理系统的发展方向高度契合。
技术成熟度方面,该传感器采用多层PCB工艺,具备DC至100MHz的宽频带测量能力,尺寸仅10×10mm,显示出较好的工程化基础。然而,实际应用仍面临挑战:功率模块内部的高温、高电磁干扰环境对传感器稳定性要求极高;传感器的集成需要重新设计模块封装结构;长期可靠性验证需要大量时间成本。
建议我司技术团队关注该技术发展,可考虑在新一代高功率密度逆变器和储能PCS产品中进行预研性验证,特别是在SiC模块应用中,其更高的开关频率和电流密度使得芯片级电流监测的价值更加凸显。这将为我司在高可靠性电力电子产品领域建立技术壁垒。