將電流傳感器集成到EV用SiC功率模塊中

功率半導(dǎo)體研究實(shí)驗(yàn)室 Silicon Austria Labs （SAL） 完成了將電流傳感器集成到電源模塊中的概念驗(yàn)證，該模塊旨在用于電動(dòng)汽車牽引逆變器和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

該實(shí)驗(yàn)室表示，這項(xiàng)技術(shù)可以提高效率，同時(shí)減小牽引逆變器和其他基于下一代碳化硅 （SiC） 功率器件的超大電流電力電子設(shè)備的尺寸和重量。新功率模塊的核心是由 Asahi Kasei Microdevices 設(shè)計(jì)的非接觸式、無(wú)磁芯電流傳感器。新芯片取代了當(dāng)今許多電動(dòng)汽車中部署的基于磁芯的電流傳感器。

兩家公司在 PCIM 2025 上展示了具有集成電流傳感功能的新型功率模塊。

牽引逆變器中的精密電流傳感

牽引逆變器是電動(dòng)汽車的核心部件之一，是高壓電池組和動(dòng)力總成之間的橋梁。它在將電池中的直流電轉(zhuǎn)換為用于為電機(jī)供電的三相交流電方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

為了確保在不同的駕駛條件下（如制動(dòng)、加速以及低速和高速行駛）平穩(wěn)高效地進(jìn)行控制，在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)進(jìn)行精確的電流傳感是必不可少的。但當(dāng)今電動(dòng)汽車中常用的電流傳感器往往又大又重，或者需要物理接觸。

如今，稱為母線排的層壓金屬薄條用于將大量電流從電池組分配到牽引逆變器和電動(dòng)汽車引擎蓋下的所有其他電力電子設(shè)備。為了測(cè)量流經(jīng)它們的電流，金屬環(huán)在母線上滑動(dòng)以充當(dāng)磁芯，電流在磁芯中產(chǎn)生磁場(chǎng)。通常，基于霍爾效應(yīng)的非接觸式電流傳感器放置在磁芯的一個(gè)小槽中，以測(cè)量磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與流經(jīng)母線的電流成正比。

實(shí)現(xiàn)無(wú)芯化，以最大限度地減少空間和重量

SAL 表示，它使用了 AKM 最新的基于霍爾的無(wú)芯電流傳感器，以顯著節(jié)省空間和重量。電流傳感器能夠處理非常大的電流 — 高達(dá)幾千安培或千安 — 而無(wú)需磁芯。它還具有高分辨率（約 1 ARMS），即使在高達(dá)數(shù)百安培的電流下也是如此。

此外，該器件可精確測(cè)量小電流，即使在部分負(fù)載下也能實(shí)現(xiàn)高效率。新型電流傳感器 IC EZ232L 具有寬帶寬和高精度，可以直接放置在進(jìn)出電源模塊的母線下方。

這種集成還使得功率模塊可以使用標(biāo)準(zhǔn)印刷電路板 （PCB） 來(lái)實(shí)現(xiàn)。在許多情況下，EV 功率模塊中的 SiC MOSFET 使用直接銅鍵合 （DCB） 安裝在陶瓷基板上。

這些陶瓷基板因其電氣隔離、高導(dǎo)熱性和強(qiáng)大的功率處理能力而廣受歡迎。但它們的成本更高。SAL 表示，它使用 DCB 將每個(gè) SiC 功率 MOSFET 封裝在陶瓷基板上，然后將三個(gè)陶瓷封裝的功率器件連接到標(biāo)準(zhǔn) PCB，而不是整個(gè)模塊使用陶瓷基板。據(jù) SAL 稱，這可能有助于降低成本。

“設(shè)計(jì)的功率模塊提供了一種一體化解決方案，集成了最新的直接銅鍵合功率半導(dǎo)體以及柵極驅(qū)動(dòng)電路和電流傳感功能。該模塊使用標(biāo)準(zhǔn) PCB 和現(xiàn)成的組件，為中小批量生產(chǎn)提供了靈活性和成本優(yōu)勢(shì)，“SAL 電力電子部門的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人之一 Thomas Langbauer 說(shuō)。

SiC 的影響

SiC 在 EV 牽引逆變器中發(fā)揮著不可或缺的作用。與傳統(tǒng) IGBT 相比，基于 SiC 的功率 MOSFET 可以在更快的開(kāi)關(guān)頻率下工作，快速導(dǎo)通和關(guān)斷以產(chǎn)生更平滑的交流信號(hào)，從而提高電動(dòng)汽車電機(jī)的效率。

更快的開(kāi)關(guān)速度還可以通過(guò)縮小電源中的變壓器、電感器、電容器和其他無(wú)源器件來(lái)幫助提高功率密度。此外，SiC MOSFET 具有較低的反向恢復(fù)電荷 （Qrr），并且比硅 IGBT 更有效地處理高溫。

雖然 SiC 可以顯著降低尺寸、重量和系統(tǒng)級(jí)成本，但它仍然比傳統(tǒng)硅更昂貴。因此，集成和打包方面的進(jìn)步將是擴(kuò)大其優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

“我們預(yù)計(jì)集成無(wú)芯電流傳感器技術(shù)的功率模塊將有助于實(shí)現(xiàn)更小、更輕的 [EV] 牽引逆變器，”AKM 電流傳感器業(yè)務(wù)部總經(jīng)理 Toshinori Takatsuka 指出。