[发明专利]基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器及其应用和方法

说明书

基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，由多种低温共烧陶瓷瓷带层组成，在瓷带层表面印刷导带并按照一定顺序堆叠而成；所述低温共烧陶瓷瓷带层包括顶盖、顶部功率连接层、顶部信号连接层、铁氧体磁环包覆层、铁氧体磁环外部垂直连接层、铁氧体磁环、铁氧体磁环中央垂直连接层、底部信号连接层、底部信号汇集层、底部基板层。本发明提出了基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术和铁氧体磁环线圈方法的高温电流传感器，可实现在高温环境下功率模块的电流测量，具有测量准确、成本低、用性强、易集成易推广等诸多优点。

技术领域

本发明涉及一种高温电流传感器电子器件，尤其是涉及一种基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，属于电子元器件设计领域。

背景技术

随着电动汽车、智能电网和航空航天等行业的发展，电力电子模块的应用市场日益广阔，良好的发展前景意味着对功率模块的应用性能提出了更高的要求。由于传统的功率模块需要复杂的散热控制和冷却系统，导致功率密度和整体效率大大降低、系统成本显著提高。当前，基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新一代半导体材料的功率芯片正在快速发展。这些新材料的卓越性能优势（宽带隙、高导热性和高载流子饱和度等）使得新一代功率芯片能够在更恶劣的环境（例如高温）下工作。

为了提高功率模块工作的可靠性和稳定性，集成了各种传感器的智能功率模块正逐渐成为科学研究和产品开发中的重要方向。集成在智能功率模块中的电流传感器可用于监测功率模块的运行状态，通过反馈控制达到保护模块的目的。然而，为保证高温环境下模块的正常工作，功率模块中集成的电流传感器需要在高温环境下实现准确而稳定地测量电流。而低温共烧陶瓷（LTCC）基板具有良好的温度特性，可适应大电流及耐高温特性要求。

目前，在实际应用中主要采用电阻分流器、半导体电流镜和印制电路板（PCB）罗氏线圈三种电流测量技术来实现商用功率模块中的电流测量。

1. 电阻分流器

（1）由于分流电阻直接插入到功率回路中，电阻带来的功率损耗将降低功率模块整体的效率，并且在分流电阻的应用中存在电压隔离问题。

（2）由于同轴电阻分流器的体积过大，无法集成在功率模块的封装中。而贴片型分流电阻的寄生电感在高频下由于集肤效应将极大地影响高频电流的测量精度。

因此，电阻分流器不适用于具有高开关频率的宽禁带半导体模块应用中。

2. 半导体电流镜

（1）在实际应用中，半导体电流镜的测量准确性受传感设备和开关设备的参数分散性影响。例如应用中碳化硅MOSFET的导通电阻分散性可超过15％，将导致难以保证基于半导体电流镜原理测得电流的准确性和一致性。

（2）功率半导体例如功率MOSFET的器件特性在很大程度上受温度变化影响。

因此半导体电流镜在高温环境下难以获得准确的电流测量结果。

3. 印制电路板（PCB）罗氏线圈

（1）虽然在相对较高的开关频率下，印制电路板（PCB）罗氏线圈具有较好的电流测量性能。但是印制电路板的基板材料通常是环氧树脂，其在高温环境下（例如超过200℃时）面临着绝缘性能下降和机械退化的问题。并且由于具有较大的热膨胀系数，高温环境下印制电路板（PCB）罗氏线圈也将发生形变，影响电流测量结果的准确性和稳定性。因此，印制电路板（PCB）罗氏线圈的电流测量精度受到高温环境的限制。

（2）在印制电路板（PCB）罗氏线圈目前集成在模块中进行电流测量的研究中，均通过环绕键合线的方式实现芯片电流的测量。这种没有设计机械紧固的测量方式导致罗氏线圈在测量过程中的位置可能发生变化，从而影响测量结果的准确性和稳定性。