[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

说明书

本发明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。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

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。

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。