一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法技术

本发明专利技术为一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，该测量方法包括边缘电场传感器和信号处理电路，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，所述边缘电场传感器包括电极层，电极层包括驱动电极、感应电极和屏蔽电极，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，感应电极能与驱动电极间形成边缘电场以感应所测电压信号的电极，屏蔽电极用于屏蔽功率模块内除感应区域外的电场信号干扰的电极；信号处理电路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。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。问题。问题。

A switching voltage measurement method of power module based on edge electric field

【技术实现步骤摘要】
一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法


[0001]本专利技术属于电压感知领域，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0006]本专利技术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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]本申请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，本申请的工作原理是：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。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0011]1、本专利技术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。本专利技术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。
[0012]2、由于本专利技术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，本专利技术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。
[0013]3、本专利技术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，本专利技术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
[0014]图1为电压探头对器件开关电压波形的影响图。
[0015]图2为平行板电容器的原理示意图。
[0016]图3为叉指型电压传感器的原理示意图。
[0017]图4为一种实施例的功率模块的结构示意图。
[0018]图5为边缘电场传感器的结构示意图。
[0019]图6为信号处理电路的结构示意图。
[0020]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
[0021]下面结合实施例及附图进一步解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，其特征在于，该测量方法包括边缘电场传感器和信号处理电路，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，所述边缘电场传感器包括电极层，电极层包括驱动电极、感应电极和屏蔽电极，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，感应电极能与驱动电极间形成边缘电场以感应所测电压信号的电极，屏蔽电极用于屏蔽功率模块内除感应区域外的电场信号干扰的电极；信号处理电路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。2.根据权利要求1所述的基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，其特征在于，所述驱动电极和感应电极交替布置在同一平面上，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，三种电极完全承载在传感器基板上，传感器基板另一面有一层背板，背板为导电材料制成，传感器基板为非导电材料制成。3.根据权利要求1所述的基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，其特征在于，所述驱动电极和感应电极为叉指型电极，驱动电极和感应电极的指头相互插接；驱动电极和感应电极为同心环型电极，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；背板与传感器基板同等大小但不同厚度、不同材质，背板的厚度要薄于传感器基板，在测量时将背板做接地处理；在功率模块内设置驱动电极和感应电极的极对数为4～8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。4.根据权利要求1所述的基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，其特征在于，当功率模块内的器件开关时，驱动电极上随即产生具有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，进而在感应电极和驱动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，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，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；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。5.根据权利要求1所述的基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，其特征在于，信号处理电路通过使用带屏蔽层的同轴电缆与感应电极相连。6.根据权利要求1所述的基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法，其特征在于，所述边缘电场传感器通过不同方式集成于各种功率模块中，所述功率模块为SiC MOSFET功率模块、SiC JFET功率模块或IGBT功率模块；当边缘电场传感器集成在SiC MOSFET功率模块中时，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；覆铜陶瓷板通过焊料焊接在功率模块基板上，覆铜陶瓷板为一种夹层结构，中间为陶瓷层，陶瓷层上下两侧都有铜层，分别记为上铜层和下铜层，所述下铜层通过焊...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛振，白月，刘新宇，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：