[发明专利]一种集成到功率模块内部的开关电流测量方法

说明书

本发明为一种集成到功率模块内部的开关电流测量方法，该方法使用的电流传感器包括罗氏线圈和处理电路；两个罗氏线圈集成在功率模块内部组成一个差分罗氏线圈，处理电路位于功率模块外，两个罗氏线圈的输出端与处理电路的输入端连接，两个罗氏线圈的接地端与处理电路的接地端连接；罗氏线圈呈平面刻蚀在功率模块内部封装结构的DBC基板上铜层的孤岛结构上，罗氏线圈与DBC基板上铜层没有任何电气连接，功率模块的被测开关电流的载流导体位于罗氏线圈的上方且与罗氏线圈不接触，两个罗氏线圈对称位于载流导体的两侧。能够在不改变功率模块现有封装结构的前提下，仅通过改变部分结构布局将罗氏线圈集成到功率模块内部，解决了现有罗氏线圈宽频带和电流传感器难集成的问题。

技术领域

本发明属于开关电流测量技术领域，具体是一种集成到功率模块内部的开关电流测量方法。

背景技术

电流传感器在现代电力电子系统中起着至关重要的作用，功率器件的开关电流信息是电力电子故障保护、健康监测和控制所需的共性关键信息。目前，针对电力电子系统中的电流传感技术已经开展了广泛的研究工作，可以通过分流器、电流互感器、罗氏线圈、霍尔传感器和磁阻传感器等测量电流。

分流器最具成本效益，虽然基于欧姆定律的工作原理简单，但实际的电流分流器存在固有电感，这限制了其测量精度和带宽(从直流到几十兆赫兹)；此外，在高频情况下，由于趋肤效应的影响导致分流器的阻值发生改变，故分流器无法准确测量功率模块的开关电流。虽然商用的同轴分流器解决了带宽问题，但其结构通常为圆柱形，尺寸较大，不适合集成到功率模块内部。电流互感器虽然具有隔离、耗电少等优点，但是由于在实际应用中通常会使用磁芯材料，故存在磁芯饱和、尺寸和成本增加等问题，同时由于电流互感器会在载流导体上引入额外的电感，这会影响功率模块的高频性能。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁场传感器，是一种带隔离、非侵入式传感器，可用于直流到交流的电流测量，但由于存在磁饱和现象，其带宽通常只有几百千赫兹，无法准确测量功率模块的开关电流信息。

罗氏线圈是一种空心线圈，不存在磁芯饱和问题，同时还具有高带宽、测量范围大、隔离、非侵入以及易集成等优点，是集成到功率模块内部测量开关电流的电流传感器的良好选择。图1为传统罗氏线圈测量开关电流的原理图，但是商用罗氏线圈多为柔性罗氏线圈，存在体积大、难固定等问题，无法集成到功率模块内部；传统PCB罗氏线圈多采用玻璃纤维环氧树脂FR-4材料制成，FR-4的“玻璃转化温度”通常在135℃以下，而目前功率模块的最高工作温度普遍可达150℃甚至175℃，高温会使FR-4由玻璃态转变为高弹态并发生明显形变，进而对传统PCB罗氏线圈的结构参数造成不可逆影响，因此传统PCB罗氏线圈也不适合集成到功率模块内部。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种集成到功率模块内部的开关电流测量方法，将罗氏线圈集成到功率模块内部，罗氏线圈输出端与位于功率模块外部的处理电路连接，旨在解决现有罗氏线圈宽频带和电流传感器难集成的问题。传统的罗氏线圈缠绕在非磁性骨架上，存在绕线不均匀、体积大等问题，而在本申请采用两个罗氏线圈构成一个差分罗氏线圈，可以很好地解决绕线不均的问题，并且体积小、结构紧凑易集成，提高了电流传感器的抗干扰性。

为了实现上述目的，本申请的技术方案是：

一种集成到功率模块内部的开关电流测量方法，该方法使用的电流传感器包括罗氏线圈和处理电路；两个罗氏线圈集成在功率模块内部组成一个差分罗氏线圈，处理电路位于功率模块外，两个罗氏线圈的输出端与处理电路的输入端连接，两个罗氏线圈的接地端与处理电路的接地端连接；