[发明专利]一种基于边缘电场的功率模块开关电压测量方法

权利要求书

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，所述下铜层通过焊料与功率模块基板相连接，上铜层通过焊料与SiC MOSFET功率模块的SiC MOSFET芯片相连接；

边缘电场传感器的驱动电极连接SiC MOSFET芯片的漏极，将驱动电极直接蚀刻在连接SiC MOSFET漏极的覆铜陶瓷板的上铜层上，感应电极与外部信号处理电路相连；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；此时屏蔽电极、驱动电极、感应电极均位于上铜层上，中间的陶瓷层此时即为边缘电场传感器的传感器基板，下铜层为背板；

功率模块中有多个相同的功率器件芯片时，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。