一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法

1.本发明属于电压感知领域，具体涉及一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，该测量方法用于在功率模块封装内进行开关电压的测量。


背景技术：

2.随着电力电子系统对高功率密度、高集成度的需求越来越强，集成化传感器的研究和发展被推向了一个新的高度。目前，集成化电流传感器已有典型研究，而集成化电压传感器尚未形成系统化的研究。现有电压传感器主要为针对分立式功率器件进行测量，缺乏可集成于功率模块内的测量方法。
3.常见的电压传感器有电压探头和电路式电压传感器两种，其中示波器电压探头广泛应用于器件开关电压信息的测量，主要有无源探头、有源差分探头和光隔离探头，虽然已有探头根据其不同优势可满足不同测量需求，但均需要将探头外接于被测电路两端，要和被测电路进行直接的电气连接，会给被测电路引入寄生参数，导致测量信号不够准确，同时较为复杂的连接方式和较大的体积使其并不适合用作集成化电压传感器。而元件级或变换器级的电路式电压传感器，虽然在集成领域具有一定优势，但所需无源器件众多(无源器件个数达几十个)，给传感器的稳定性和可靠性提出了更大挑战，在集成化发展过程中存在较大困难。如何既满足高功率密度的要求，又能够对开关电压进行准确测量，是集成化电压传感器有待进一步研究的内容。


技术实现要素：

4.本发明针对将电压传感器集成于功率模块中的相关问题，提出了一种适用于功率模块集成的基于边缘电场原理的开关电压测量方法，旨在提高模块功率密度和可靠性的同时，解决现有电压测量方法对器件开关特性测量不够准确的问题。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案是：
6.本发明提出了一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，包括边缘电场传感器和信号处理电路两部分，边缘电场传感器集成于功率模块内部，信号处理电路设置在功率模块外，与边缘电场传感器中的感应电极相连，利用边缘电场传感器对所要测量的电压信号进行感知，利用信号处理电路对传感器感应到的信号进行重构，以实现电压信号的准确测量。
7.所述边缘电场传感器包括电极层和传感器基板，电极层包括驱动电极、感应电极和屏蔽电极，驱动电极指与功率模块内芯片相连接的具有被测电压信号的电极，感应电极指与驱动电极间形成边缘电场以感应所测电压信号的电极，屏蔽电极指用于屏蔽功率模块内除感应区域(驱动电极和感应电极之间所形成的电场区域)外的电场信号干扰的电极。驱动电极和感应电极交替布置在同一平面上，放置规律根据电极形状不同而有所差异，如驱动电极和感应电极为叉指型时，驱动电极和感应电极的指头相互插接，若驱动电极和感应电极为同心环型时，以一圈驱动电极、一圈感应电极的方式在同一平面中交替布置，驱动电
极与功率模块内所要测量的器件的电压信号相连接；屏蔽电极位于驱动电极和感应电极所在区域的外侧，包围驱动电极和感应电极。三种电极所在平面的下方为传感器基板，传感器基板要完全承载三种电极，但考虑到功率模块的体积大小，传感器基板不宜过大。传感器基板背面有一层背板，背板与传感器基板同等大小但不同厚度、不同材质，传感器基板为非导电材料制成、背板为导电材料制成，且背板的厚度通常要薄于传感器基板，在测量时将背板做接地处理。
8.当功率模块内的器件开关时，驱动电极上随即有一定幅值和频率的被测电压，感应电极和驱动电极间形成边缘电场，进而在两电极间产生感应电容，这时感应电极上就会有感应电压，然后，通过将感应电极与外部信号处理电路相连，可以将所得到的感应电压传递至信号处理电路的输入端。在信号处理电路部分，电阻r1和电容c1先对采集到的信号进行衰减还原处理，然后通过有源积分电路将衰减还原得到的电压信号进一步重构。最终，在信号处理电路的输出端输出电压信号，完成电压的整个检测过程。
9.本技术所述边缘电场传感器属于电容传感器，利用的是驱动电极和感应电极之间产生的感应电容，当驱动电极上有电压时，会随即和感应电极之间产生电场，进而形成感应电容，如果驱动电极上的电压发生变化，两电极间的电场和感应电容随之变化，从而使感应电极上产生的感应电压发生变化，在整个过程中驱动电极、感应电极以及屏蔽电极的位置是固定不变的。综上所述，本技术的工作原理是：驱动电压变化
→
驱动电极和感应电极间的边缘电场变化
→
两电极间的感应电容变化
→
感应电极上的感应电压变化。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
11.1、本发明基于边缘电场原理提出了一种能够集成于功率模块内部的电压感知方案，将所提出的电压传感器集成于功率模块内部进行电压测量。在测量时，传感器的驱动电极上有一定幅值和频率的被测电压，与感应电极之间产生边缘电场，进而在两电极间形成感应电容。通过将感应电极与外部信号处理电路相连，可以将被测电压信号进行重构。本发明解决了现有电压传感器无法集成的问题，为提高功率模块的可靠性和集成度提供了可能，同时也为集成化电压传感器的研究提供了新的思路。
12.2、由于本发明是利用两电极间电场产生的感应电容进行电压的测量，因此除感应区域外的电场信号对边缘电场的干扰问题是不容忽略的，选择将背板接地能够屏蔽来自边缘传感器下方的干扰，本发明在感应电极所在平面、背板所在平面、信号引出线采取屏蔽措施，实现多个方向上的屏蔽，具有一定的抗扰性。首先，驱动电极和感应电极外侧的屏蔽电极，可以屏蔽模块内感应区域外的电场信号的干扰。其次，传感器基板背面的背板在测量时做接地处理，也可视为一屏蔽电极，能够屏蔽边缘电场传感器下方电场的干扰。最后，选择具有屏蔽作用的线对感应电极和外部信号处理电路进行连接，减少了信号在传输过程中受到的外部影响，进一步保证了所测得开关电压信息的准确性。
13.3、本发明采用边缘效应将驱动电极和感应电极集成在一起，既能够检测电压信号，又能显著缩小传感器的体积、尺寸，实现了将电压传感器集成在功率模块内部的目的，本发明所提出的边缘电场传感器，首先具有结构简单、体积小的特点，克服了现有测量方式因体积大和连接方式复杂而无法集成的问题，容易实现在不同应用场景中的集成，其次，传感器利用边缘电场原理对电压信号进行测量，与被测线路之间没有直接的电气连接，解决了现有测量方式因引入寄生参数而导致严重侵入性的问题，提高了测量的准确度。
附图说明
14.图1为电压探头对器件开关电压波形的影响图。
15.图2为平行板电容器的原理示意图。
16.图3为叉指型电压传感器的原理示意图。
17.图4为一种实施例的功率模块的结构示意图。
18.图5为边缘电场传感器的结构示意图。
19.图6为信号处理电路的结构示意图。
20.图中1功率模块基板，2下铜层，3陶瓷层，4上铜层，5芯片，6驱动电极，7感应电极，8屏蔽电极，9信号处理电路。
具体实施方式
21.下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本技术保护范围的限定。
22.目前，对于电力电子器件开关电压的测量主要通过示波器探头完成，这种测量方式需要将示波器探头与被测电路进行直接的电气连接，会给被测电路引入额外的电容和电感，产生一定的侵入性问题，使得测量的信号出现延迟，同时加剧信号的震荡现象，影响测量结果的准确度，电压探头对器件开关电压波形的影响如图1所示。
23.图2为平行板电容器的示意图，作为最常见、最普遍的电容器，平行板电容器广泛应用于各种场景，但平行板电容器存在边缘效应，对于理想的平行板电容传感器，如果忽略边缘效应，已知极板面积、极板间距和介电常数即可求得极板间的电容值。当考虑电场的边缘效应时，则还需考虑极板的长和宽，以得到准确的电容值。本技术对于这种边缘效应加以利用，所述边缘电场传感器的驱动电极和感应电极位于同一平面上，当驱动电极上有被测电压时，两电极之间形成边缘电场，电场线由驱动电极指向感应电极，呈椭圆状并向外扩散，同时在驱动电极和感应电极之间形成感应电容，当被测电压变化时，两电极间的电场发生改变，感应电容值也随之改变。电极形状可以为叉指型、同心环型、矩形等，本实施例中优选叉指型电极结构对边缘电场传感器进行具体说明。如图3所示，叉指型电压传感器的驱动电极和感应电极的指头相互插接，两种电极可以为单极也可设计为多极对数。
24.本发明基于边缘电场所提出的电压感知方案用于功率模块内开关电压信息的测量，该电压感知方案包括边缘电场传感器和信号处理电路两部分，边缘电场传感器集成于功率模块内部，通过驱动电极施加电压、感应电极感应电场的方式实现电压信号的测量。信号处理电路用于将感应电极所感应到的被测电压信号进行重构，设置在功率模块外，信号处理电路与感应电极相连，这种连接方式可以通过使用带屏蔽层的同轴电缆来实现。
25.所述边缘电场传感器可通过不同方式集成于各种功率模块中，根据实际应用场景所集成的方式也可以不同，均能实现在功率模块内部测量电压的目的。本实施例优选依托sic mosfet功率模块结构对边缘电场传感器进行设计并实现集成的方案。如图4所示，所述sic mosfet功率模块底部为采用铜材料制成的功率模块基板1；覆铜陶瓷板(dbc)通过焊料焊接在功率模块基板1上，覆铜陶瓷板(dbc)为一种夹层结构，中间为陶瓷层(一种电绝缘材料板)，陶瓷层3上下两侧都有铜层，分别记为上铜层4和下铜层2，所述下铜层2通过焊料与功率模块基板1相连接，上铜层4通过焊料与sic mosfet功率模块的sic mosfet芯片相连
接。
26.在覆铜陶瓷板的上铜层蚀刻预期设计尺寸的驱动电极和感应电极，此时覆铜陶瓷板中的陶瓷层即为边缘电场传感器的传感器基板，其材料可选择三氧化二铝、氧化铍、氮化铝等，介电常数分别在6～10之间不等，优选氧化铍作为陶瓷板材料，介电常数在6～7之间；传感器基板的厚度范围为0.25-1.2mm，可以为0.25mm、0.32mm、0.38mm、0.5mm、0.63mm、1mm等，优选传感器基板为1mm厚的陶瓷板；
27.边缘电场传感器的电极形状有叉指型、同心环型、矩形等，本实施例中优选叉指型电极结构对边缘电场传感器进行具体说明。驱动电极和感应电极的指头相互插接，屏蔽电极位于驱动电极和感应电极所在区域的外侧，包围驱动电极和感应电极。受到功率模块体积大小的限制，在功率模块内可设置驱动电极和感应电极的极对数为1～8对，功率模块内除驱动电极和感应电极以外的空白区域以能够恰好放置相应形状的屏蔽电极为准，本实施例中优选极对数为6。
28.根据本发明的设计目的，所述边缘电场传感器的波长(相邻最近的同一种单电极中心线的距离)λ取值范围可在1-6mm之间，本实施例优选波长λ＝3mm。考虑到功率模块工作在高压状态时会出现空气击穿问题，同时综合考虑sic mosfet功率模块的尺寸大小，本实施例中优选驱动电极和感应电极中单电极的宽度为1mm、长度为20mm。
29.本实施例中边缘电场传感器的电极为上铜层4，背板为下铜层2，均为dbc的表面铜层，上、下铜层厚度主要有0.1mm、0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm等，为了保证dbc良好散热和绝缘耐压，其上、下铜层厚度差不能超越50um，且最好采用相同厚度，因此所述传感器的上、下铜层厚度均优选0.1mm，即电极和背板的厚度优选0.1mm。
30.本技术中所述功率模块可以为sic mosfet功率模块、sic jfet功率模块、igbt功率模块等，对应的各个功率模块内的芯片分别为sic mosfet芯片、sic jfet芯片、igbt芯片等。若将边缘电场传感器集成在sic mosfet功率模块中，则需要将sic mosfet芯片的漏极与驱动电极相连，将sic mosfet芯片的源极与屏蔽电极相连；若将边缘电场传感器集成在sic jfet功率模块中，则需要将sic jfet芯片的漏极与驱动电极相连，将sic jfet芯片的源极与屏蔽电极相连；若将边缘电场传感器集成在igbt功率模块中，则需要将igbt芯片的集电极与驱动电极相连，将igbt芯片的发射极与屏蔽电极相连。此外，功率模块中可以有多个相同的功率器件芯片，任意选择一个芯片与边缘电场传感器按照上述方式进行连接即可。
31.本实施例可通过下述方式实现对开关电压信息的感知，如图5所示：驱动电极连接sic mosfet芯片的漏极，此处的连接可以通过键合线实现也可将驱动电极直接蚀刻在连接sic mosfet漏极的覆铜陶瓷板(dbc)上铜层上，感应电极与外部信号处理电路9相连，将感应到的被测电压信号传输至模块外以进行重构。屏蔽电极设置在驱动电极和感应电极最外侧，与sic mosfet芯片的源极相连，以屏蔽除感应区域以外的电场信号的干扰，实现对模块内开关电压信息的准确测量。当sic mosfet器件开关时，连接漏极的驱动电极随即有一定频率和幅值的驱动电压(即被测电压vd)产生，与感应电极之间形成边缘电场，进而在两电极间产生感应电容cs，通过在功率模块内集成射频连接器，可以将感应电极与外部信号处理电路进行连接，将感应电压vs引出功率模块外。为了避免外部信号对测量结果在传输过程中的干扰，使用具有屏蔽效果的线进行连接，保证所测得器件开关电压信息的准确性。
32.所述边缘电场传感器也可以不依托于功率模块现有的结构进行设计，可以按照电极层和传感器基板的组成和基本原理单独进行设计，然后再集成进功率模块内，具体做法可以为：在功率模块内的上铜层放置绝缘层，然后将已设计完整的边缘电场传感器固定放置在绝缘层上，再通过键合线分别将边缘电场传感器的驱动电极、感应电极、屏蔽电极、背板按照和依托于功率模块现有结构进行设计的边缘电场传感器相同的规则与相应位置进行连接，同样可达到对模块内开关电压信息进行感知的目的。已设计完整的边缘电场传感器是指驱动电极、感应电极和屏蔽电极位于同一平面上，且驱动电极、感应电极交替布置，屏蔽电极位于驱动电极和感应电极外围，驱动电极、感应电极和屏蔽电极完全承载在传感器基板上，在传感器基板的背面设置一层背板；驱动电极与待测的功率模块内芯片具有被测电压信号的一端连接，感应电极与信号处理电路9连接，屏蔽电极和信号处理电路同时连接功率模块的芯片接地端，所述背板接地。本发明也可以不单独设置传感器的背板和绝缘层，直接在功率模块内的上铜层上设置传感器基板，此时上铜层能充当边缘电场传感器的背板，减少了需要集成引入的边缘电场传感器的整体厚度，使其能够在更有限的功率模块封装壳体内部进行集成。此外根据功率模块封装壳体内部剩余空间的大小可以设置不同的极对数、电极形式及是否利用功率模块已有层结构。
33.感应电极和信号处理电路的连接，可以通过射频连接器、导线、功率模块端子等多种方式实现。射频连接器结构按照导针、外壳与pcb板的连接方式分为贴片式、直插式、混合式三种，为了方便在模块内进行集成，本实施例优选通过贴片式射频连接器进行连接。具体连接方法为：将贴片式射频连接器的折板部连接感应电极，将直板部连接屏蔽电极，信号处理电路的一个输入连接中心导针，获得感应电极的信号，信号处理电路的另一个输入与圆柱部相连。
34.本发明所述信号处理电路主要用于将传感器测得的电压信号进行重构，根据不同应用场景和需求可以选择不同电路，如有源积分电路、无源积分电路、滤波电路、电压跟随电路等均可。本实施例中的信号处理电路包括电压还原电路和有源积分电路，电压还原电路主要是将传感器感应所得的信号进行还原，包括一个电容c1和一个电阻r1。感应电极通过集成在功率模块内的射频连接器连接至电压还原电路，即感应电容cs与电容c1、电阻r1的一端相连，电容c1和电阻r1的另一端接地，如图6所示。有源积分电路用于进一步对电压信号进行处理，包括一个运算放大器、一个反馈电容cf、一个反馈电阻rf和一个接地电阻r2，运算放大器的正相输入端连接电容c1和电阻r1的不接地端，反相输入端连接接地电阻r2和反馈电容cf、反馈电阻rf的其中一端，反馈电容cf、反馈电阻rf的另一端连接运算放大器的输出端，重构后的输出电压为vo。
35.电压还原电路包括电阻r1和电容c1，其一端连接感应电容cs，另一端连接信号地，可以对感应电极产生的电压信号进行衰减还原处理，然后将处理后的电压信号传输至有源积分电路。边缘电场传感器的驱动电极和感应电极之间产生的感应电容cs与电压还原电路部分的传递函数h1(s)为：
[0036][0037]
上式中的s为频域计算中专门的算子。
[0038]
有源积分电路由一个运算放大器、反馈电容cf、反馈电阻rf和一个接地电阻r2组
成，运算放大器的
[0039]
正相输入端连接电压还原电路的输出电压信号，反相输入端连接接地电阻r2和反馈电容cf、反馈电阻rf的其中一端，输出端与反馈电容cf、反馈电阻rf的另一端相连。有源积分电路部分的传递函数h2(s)为：
[0040][0041]
为了能够得到准确的测量结果，保证高频下的稳定性，本发明中的运算放大器优选高输入阻抗、低输入电容、高带宽的类型，反馈电阻rf优选500kω以上，反馈电容cf优选nf级别，接地电阻r2优选几kω级别。当rf远远大于r2时，有源积分电路的传递函数可以简化为下式：
[0042][0043]
至此，实现了对集成于功率模块内的边缘电场传感器所测得电压信号的重构。其他电路设计和参数选择同样也可实现对边缘电场传感器所测信号的处理。
[0044]
除了利用由电阻器、电容器、运算放大器等组成的模拟信号处理电路对边缘电场传感器所得到的感应电压信号进行处理，也可以选择数字信号处理方法实现对电压信号的处理。数字信号处理的主要步骤为：首先，通过模数转换器(a/d转换器)可以将模拟信号变成数字信号；然后，通过数字信号处理器(dsp)进行变换域分析、数字滤波等；最后，再通过数模转换器(d/a转换器)将经过处理的数字信号还原为模拟信号，但这一步并非必须，可以仅通过前两步实现数字信号处理。
[0045]
本发明提出的基于边缘电场原理设计的集成式电压传感器(即集成在功率模块内部的边缘电场传感器)，具有设计灵活度高、测量准确度高、抗扰性强的典型特点，适用于集成在各种不同类型的功率模块内，可以实现模块内开关电压的在线检测，为提高功率模块的可靠性和集成度提供了可能，同时也为集成化电压传感器的研究提供了新的思路。
[0046]
本发明未述及之处适用于现有技术。