CN114019216A - 一种弹性压接igbt器件芯片电流在线测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，利用能够集成在弹性压接IGBT器件内部的PCB板作为测量系统的载体，PCB板上开设有多个矩形开孔，每个矩形开孔周围设置一个矩形罗氏线圈，碟簧从矩形开孔中穿过，使用矩形罗氏线圈作为测量探头测量单个芯片的电流，实现弹性压接IGBT器件内部各芯片电流的在线测量；矩形罗氏线圈包括多个依次紧密排布的矩形单匝线圈，多个矩形单匝线圈均斜向布置在矩形开孔周围，使得矩形线圈有更均匀的绕线密度，提高了测量准确度和抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘栅双极型晶体管领域，特别是涉及一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统。
背景技术
随着现代电力工业的迅速发展，电力电子功率器件也向着高电压和大功率的方向发展，其中在高压领域应用最广泛的就是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件，而目前主流的IGBT器件有焊接型和压接型两种，压接型IGBT器件根据内部结构又可分为刚性压接IGBT器件和弹性压接IGBT器件两种类型。其中弹性压接IGBT器件具有芯片压力均匀、接触电阻和热阻均衡等特点，在实际应用中体现出更好的可靠性。
IGBT器件在通流过程中，器件内部各芯片参数的分散性以及各芯片电流回路的阻抗差异造成了流过各个芯片的电流分布不均衡，当这种不均衡达到一定程度后，就会使得部分电流过大的芯片发生击穿，最终导致整个器件损毁。可见器件内部各芯片电流是关系到IGBT器件可靠性的重要物理量，测量器件内部各芯片电流对提高IGBT器件可靠性具有重要意义。
如果使用商用Rogowski线圈(罗氏线圈)或商用霍尔电流传感器等测量仪器，不仅需要改变器件封装结构，对器件各项性能造成破坏，而且不利于在线测量。
对于刚性压接IGBT器件，当前的技术使用了双层PCB板和圆形Rogowski线圈实现芯片电流测量。但是弹性压接IGBT器件的内部空间比刚性压接IGBT器件紧凑得多，圆形Rogowski线圈因为占用空间太大而无法布置。
发明内容
本发明的目的是提供一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，以实现弹性压接IGBT器件内部各芯片电流的准确在线测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，所述弹性压接IGBT器件上有多个碟簧和多个芯片，多个碟簧分别一一对应地与多个芯片连接，所述系统包括：PCB板和积分器；
所述PCB板上开设有多个矩形开孔，每个矩形开孔周围设置一个矩形罗氏线圈；多个碟簧分别一一对应地从多个矩形开孔中穿过；
所述矩形罗氏线圈包括多个依次紧密排布的矩形单匝线圈，多个矩形单匝线圈均斜向布置在矩形开孔周围；
多个矩形单匝线圈串联后的两端与积分器连接，所述积分器用于根据多个矩形单匝线圈串联后两端的电压信号确定所述矩形罗氏线圈对应的芯片的电流。
可选的，所述弹性压接IGBT器件还包括：发射极极板和集电极极板；
多个芯片与集电极极板连接，多个碟簧分别一一对应地从多个矩形开孔中穿过后与发射极极板连接。
可选的，所述PCB板上还设置有多个引脚焊盘对；
多个引脚焊盘对位于弹性压接IGBT器件的外部；
引脚焊盘对的数量与矩形罗氏线圈的数量相同；
一个矩形罗氏线圈中多个矩形单匝线圈串联后的两端通过一个引脚焊盘对与积分器连接。
可选的，所述PCB板包括：从上至下依次连接的顶层信号层、回线层信号层和底层信号层；
多个矩形开孔均贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层。
可选的，所述PCB板还包括：设置在顶层信号层和回线层信号层之间的第一绝缘层，以及设置在回线层信号层和底层信号层之间的第二绝缘层。
可选的，所述矩形罗氏线圈还包括：单匝线圈连接线和回线；
所述矩形单匝线圈包括：单匝线圈顶层走线、内圈通孔、外圈通孔和单匝线圈底层走线；
内圈通孔和外圈通孔均贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层；单匝线圈顶层走线连接顶层信号层的内圈通孔和外圈通孔；回线设置在回线层信号层的内圈通孔和外圈通孔之间；单匝线圈底层走线连接底层信号层的内圈通孔和外圈通孔；
单匝线圈连接线在顶层信号层上连接内圈通孔与相邻矩形单匝线圈的外圈通孔，多个矩形单匝线圈首尾连接后的一端与积分器的第一输入端连接，首尾连接后的另一端与回线的一端连接，回线的另一端与积分器的第二输入端连接。
可选的，所述PCB板上开设有第一连接回线通孔和第二连接回线通孔，第一连接回线通孔和第二连接回线通孔分别贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层；
多个矩形单匝线圈首尾连接后的另一端通过第一连接回线通孔与回线的一端连接，回线的另一端通过第二连接回线通孔与积分器的第二输入端连接。
可选的，所述矩形开孔与碟簧的截面大小相同。
可选的，所述PCB板的厚度为1mm。
可选的，所述PCB板的材料为铜。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，利用能够集成在弹性压接IGBT器件内部的PCB板作为测量系统的载体，PCB板上开设有多个矩形开孔，每个矩形开孔周围设置一个矩形罗氏线圈，碟簧从矩形开孔中穿过，使用矩形罗氏线圈作为测量探头测量单个芯片的电流，实现弹性压接IGBT器件内部各芯片电流的在线测量；矩形罗氏线圈包括多个依次紧密排布的矩形单匝线圈，多个矩形单匝线圈均斜向布置在矩形开孔周围，使得矩形线圈有更均匀的绕线密度，提高了测量准确度和抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统的正视图；
图2为本发明提供的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统的爆炸图；
图3为本发明提供的PCB板俯视图；
图4为本发明提供的顶层信号层Rogowski线圈线路布置图；
图5为本发明提供的回线层信号层Rogowski线圈线路布置图；
图6为本发明提供的底层信号层Rogowski线圈线路布置图；
图7为本发明提供的矩形Rogowski线圈与传统矩形Rogowski线圈的对比图；图7(a)为传统矩形Rogowski线圈的布局图，图7(b)为本发明提供的矩形Rogowski线圈的布局图。
符号说明：1-PCB板，2-罗氏线圈，3-矩形开孔，4-第一引脚焊盘，5-第二引脚焊盘，6-矩形单匝线圈，7-内圈通孔，8-外圈通孔，9-单匝线圈顶层走线，10-单匝线圈连接线，11-第一连接回线通孔，12-第二连接回线通孔，13-回线，14-单匝线圈底层走线，15-顶层信号层，16-回线层信号层，17-底层信号层，18-集电极极板，19-芯片，20-碟簧，21-发射极极板，22-器件管壳，23-子单元框架，24-底板，25-线圈内边界，26-线圈外边界。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，以实现弹性压接IGBT器件内部各芯片电流的准确在线测量。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，弹性压接IGBT器件上有多个碟簧和多个芯片，多个碟簧分别一一对应地与多个芯片连接，如图1-2所示，系统包括：PCB板1和积分器。
PCB板1上开设有多个矩形开孔，每个矩形开孔周围设置一个矩形罗氏线圈2；多个碟簧分别一一对应地从多个矩形开孔中穿过。
矩形罗氏线圈2包括多个依次紧密排布的矩形单匝线圈，多个矩形单匝线圈均斜向布置在矩形开孔周围。
多个矩形单匝线圈串联后的两端与积分器连接，积分器用于根据多个矩形单匝线圈串联后两端的电压信号确定矩形罗氏线圈2对应的芯片的电流。
本发明利用能够集成在器件内部的PCB板，实现对弹性压接IGBT器件内部各芯片电流进行同时在线测量。
弹性压接IGBT器件还包括：发射极极板和集电极极板。多个芯片与集电极极板连接，多个碟簧分别一一对应地从多个矩形开孔中穿过后与发射极极板连接。
PCB板1上还设置有多个引脚焊盘对。多个引脚焊盘对位于弹性压接IGBT器件的外部；引脚焊盘对的数量与矩形罗氏线圈2的数量相同；一个矩形罗氏线圈2中多个矩形单匝线圈串联后的两端通过一个引脚焊盘对与积分器连接。
PCB板1包括：从上至下依次连接的顶层信号层、回线层信号层和底层信号层。多个矩形开孔均贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层。
PCB板1还包括：设置在顶层信号层和回线层信号层之间的第一绝缘层，以及设置在回线层信号层和底层信号层之间的第二绝缘层。
矩形罗氏线圈2还包括：单匝线圈连接线和回线；
矩形单匝线圈6包括：单匝线圈顶层走线9、内圈通孔7、外圈通孔8和单匝线圈底层走线10；
内圈通孔7和外圈通孔8均贯穿顶层信号层15、回线层信号层16和底层信号层17；单匝线圈顶层走线9连接顶层信号层15的内圈通孔7和外圈通孔8；回线13设置在回线层信号层16的内圈通孔7和外圈通孔8之间；单匝线圈底层走线14连接底层信号层17的内圈通孔7和外圈通孔8；
单匝线圈连接线10在顶层信号层15上连接内圈通孔7与相邻矩形单匝线圈6的外圈通孔8，多个矩形单匝线圈6首尾连接后的一端与积分器的第一输入端连接，首尾连接后的另一端与回线13的一端连接，回线13的另一端与积分器的第二输入端连接。
PCB板1上开设有第一连接回线通孔和第二连接回线通孔，第一连接回线通孔和第二连接回线通孔分别贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层。
多个矩形单匝线圈首尾连接后的另一端通过第一连接回线通孔与回线的一端连接，回线的另一端通过第二连接回线通孔与积分器的第二输入端连接。
优选地，PCB板1的厚度为1mm，PCB板1的材料为铜。
优选地，矩形开孔与碟簧的截面大小相同。
本发明的优点如下：
1.可同时测量弹性压接IGBT器件内部所有芯片电流
PCB板上搭载了12个测量单芯片电流的Rogowski线圈，因此可以同时测量弹性压接IGBT器件内部所有芯片的电流。
2.可实现非侵入式测量
由于PCB板厚度很小，约为1mm。而且PCB上的矩形开孔和矩形Rogowski线圈紧密围绕弹性压接IGBT器件内部碟簧，PCB板占用空间小，因此可以将PCB板安装在弹性压接IGBT器件内部，实现测量功能的同时不会破坏器件的封装结构，即非侵入式测量。
3.可在线测量
Rogowski线圈是无磁芯线圈，Rogowski线圈和芯片电流回路的互感为纳亨级别，Rogowski线圈中的电流为微安级别。因此，由Rogowski线圈在芯片电流回路中产生的感应电压为皮安级别，相对于弹性压接IGBT器件的正常工作电压可以忽略不计。
Rogowski线圈对弹性压接IGBT器件正常工作的影响可以忽略不计，因此可以在弹性压接IGBT器件正常工作时进行测量，即在线测量。
4.测量准确度高，抗干扰能力强
相比于传统矩形Rogowski线圈布局，新型矩形Rogowski线圈布局绕线密度更均匀，能够实现更高的测量准确度和抗干扰能力。非常适用于弹性压接IGBT器件内部这样的复杂电磁环境。
以弹性压接IGBT器件内部一共有10个IGBT芯片和2个FRD芯片为例，详细阐明本发明的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统。
所述PCB板俯视图如图3所示，可见PCB板上有12个矩形开孔和Rogowski线圈(罗氏线圈2)，12个Rogowski线圈2分别用于测量弹性压接型IGBT器件内部10个IGBT芯片和2个FRD芯片的电流。顶层PCB板Rogowski线圈线路布置图如图4所示，回线层PCB板Rogowski线圈线路布置图如图5所示，底层PCB板Rogowski线圈线路布置图如图6所示。下面将对弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统各个组成部分及其功能进行详细介绍：
1)PCB板
本电流在线测量系统的主体是PCB板1，其主要结构包括顶层信号层15、回线层信号层16、底层信号层17、矩形开孔3。顶层信号层15、回线层信号层16、底层信号层17、分别位于PCB板的上层、中间层、下层。相邻两层信号层之间的绝缘层是PCB板的骨架，起到支撑PCB板、隔离两层信号层的作用。PCB板机械强度好，能耐受高温，本电流在线测量系统中PCB板尺寸小，厚度很薄，约为1mm，因此便于集成在弹性压接IGBT器件内部。上述3个信号层中包含走线，走线的材料是铜，起到传导电流的作用。PCB板上有12个矩形开孔3，弹性压接IGBT器件中的碟簧20从矩形开孔3中间穿过，矩形开孔3的周围布置了测量单芯片电流的Rogowski线圈2。PCB板上有12对第一引脚焊盘4和第二引脚焊盘5，用于引出各个Rogowski线圈的信号。
PCB板1被安装在弹性压接IGBT器件内部发射极极板21的上方，碟簧20的底部正好穿过PCB板1。碟簧20和芯片19的侧面包围着子单元框架23和器件管壳22。芯片19的上方为集电极极板18，发射极极板21的下方为底板24。PCB板1的各个引脚焊盘4和5伸出弹性压接IGBT器件外部，以方便信号的引出，如图2所示。
弹性压接IGBT芯片内部一共有10个IGBT芯片和2个FRD芯片，分别对应12个碟簧。PCB板上的12个矩形开孔3的位置与弹性压接IGBT器件内部的12个碟簧20正好分别对应，矩形开孔3的大小与碟簧20的截面大小正好相同，测量单芯片电流的Rogowski线圈2因此紧密围绕碟簧布置，从而能够在紧凑的弹性压接IGBT器件内部空间中同时布置12个Rogowski线圈用于测量芯片电流。
2)测量单芯片电流的Rogowski线圈
PCB板Rogowski线圈主体是多个测量单芯片电流的Rogowski线圈4。图4、图5、图6分别为顶层、回线层、底层测量单芯片PCB板Rogowski线圈线路布置图。测量单芯片电流的Rogowski线圈2的主要结构包括矩形单匝线圈6、第一引脚焊盘4、第二引脚焊盘5、第一连接回线通孔11、第二连接回线通孔12、单匝线圈连接线10、内圈通孔7、外圈通孔8、单匝线圈顶层走线9、回线13、单匝线圈底层走线14。
测量单芯片电流的Rogowski线圈2的主要结构是矩形单匝线圈6。矩形单匝线圈6为矩形，矩形的上边是位于PCB板的单匝线圈顶层走线9，矩形的下边是位于PCB板的单匝线圈底层走线14，矩形的左右两边是内圈通孔7和外圈通孔8，连接了PCB板的单匝线圈顶层走线9和单匝线圈底层走线14。所有的矩形单匝线圈6呈矩形排列，将碟簧20围绕在中间。第一个矩形单匝线圈6通过走线连接到引脚焊盘4上。单匝线圈连接线10从第一个矩形单匝线圈6开始至最后一个矩形单匝线圈6结束，将相邻两个矩形单匝线圈6连接起来。这样的布线方式称为鱼骨形布线，可以有效减小Rogowski线圈周围其它电流引起的测量误差。连接在最后一个矩形单匝线圈6的单匝线圈连接线10不再连接第一个矩形单匝线圈6，而是通过连接回线通孔11连接到回线层信号层16中的回线13。回线13在Rogowski线圈中绕行一周之后连接到连接回线通孔12，通过连接回线通孔12连接到顶层信号层15，再由走线连接到引脚焊盘5上。
当弹性压接IGBT器件正常工作时，电流从集电极极板18经过芯片19、碟簧20流到发射极极板21。碟簧20与芯片19串联，因此碟簧电流等于芯片电流。碟簧20通过矩形开孔3穿过PCB板。碟簧20中流过的电流会在各个矩形单匝线圈6中产生磁场，当碟簧20电流发生变化时，各个矩形单匝线圈6中的磁场会发生变化，由法拉第电磁感应定律，在各个矩形单匝线圈6中会产生一个感应电压，每个矩形单匝线圈6的感应电压与待测电流的变化率成正比。单匝线圈连接线10连通了相邻两个矩形单匝线圈6，实现了将所有矩形单匝线圈6上产生的感应电压相加后输出。待测电流在每一段单匝线圈连接线10中也会产生感应电压，每一段单匝线圈连接线10产生的感应电压之和与待测电流在回线13中产生的感应电压大小近似相等，符号相反，基本可以抵消，因此要求回线层信号层16与顶层信号层15尽可能接近，这样回线13与所有的单匝线圈连接线10贴近，其感应电压抵消得更多，造成得测量误差更小。因此引脚焊盘4和引脚焊盘5两端得开路电压近似为所有单匝线圈产生得感应电压之和，此电压与芯片电流的变化率成正比。引脚焊盘4和引脚焊盘5连接外部的积分器，经积分器积分后的电压量便与待测电流成正比。
针对弹性压接IGBT器件封装内部复杂的电磁环境导致测量误差的问题，本发明提出了一种新型矩形PCB Rogowski线圈。新型矩形线圈和传统矩形线圈的对比如图7所示。相比于传统矩形线圈垂直型单匝线圈布置，新型矩形线圈利用矢量磁位与静电场中电位的等效性，将临近电流对测量线圈产生的磁场干扰等效地用电位进行表征，因此无干扰的条件等效为静电场中线圈内边界接地外边界为高电位的静电屏蔽条件。在此条件下计算线圈边界的电荷密度，将电荷密度离散化即可得到线圈的线圈布局方式，利用此方法保证了矩形线圈有更均匀的绕线密度。
通过计算可知，使用新型矩形线圈，在线圈内边界25内部的测量误差绝对值最大仅为0.77％，而传统矩形线圈在线圈内边界25内部的测量误差绝对值最大为8.2％，约为新型矩形线圈的11倍，因此，新型矩形线圈在测量准确性上相比于传统矩形线圈有较大提升。另外，使用新型矩形线圈，在线圈外边界26外部的电流引起的干扰最大为4.4％，约为传统矩形线圈的一半。因此，新型矩形线圈在抗干扰能力上相比于传统矩形线圈有较大提升。所以，新型矩形线圈的测量准确度和抗干扰能力相比于传统方形线圈都有较大的提升。
本发明使用了矩形Rogowski线圈，在实现弹性压接IGBT器件内部Rogowski线圈布置的基础上，还将使用的PCB板数量从两块缩减为了一块，大幅减小了空间占用。另外，本专利使用了新型矩形Rogowski线圈布置方法，相比于传统矩形Rogowski线圈布置方法，本专利的Rogowski线圈布置方法可以实现更高的测量准确度和抗干扰能力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，所述弹性压接IGBT器件上有多个碟簧和多个芯片，多个碟簧分别一一对应地与多个芯片连接，其特征在于，所述系统包括：PCB板和积分器；
所述PCB板上开设有多个矩形开孔，每个矩形开孔周围设置一个矩形罗氏线圈；多个碟簧分别一一对应地从多个矩形开孔中穿过；
所述矩形罗氏线圈包括多个依次紧密排布的矩形单匝线圈，多个矩形单匝线圈均斜向布置在矩形开孔周围；
多个矩形单匝线圈串联后的两端与积分器连接，所述积分器用于根据多个矩形单匝线圈串联后两端的电压信号确定所述矩形罗氏线圈对应的芯片的电流。
2.根据权利要求1所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述弹性压接IGBT器件还包括：发射极极板和集电极极板；
多个芯片与集电极极板连接，多个碟簧分别一一对应地从多个矩形开孔中穿过后与发射极极板连接。
3.根据权利要求1所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述PCB板上还设置有多个引脚焊盘对；
多个引脚焊盘对位于弹性压接IGBT器件的外部；
引脚焊盘对的数量与矩形罗氏线圈的数量相同；
一个矩形罗氏线圈中多个矩形单匝线圈串联后的两端通过一个引脚焊盘对与积分器连接。
4.根据权利要求1所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述PCB板包括：从上至下依次连接的顶层信号层、回线层信号层和底层信号层；
多个矩形开孔均贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层。
5.根据权利要求4所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述PCB板还包括：设置在顶层信号层和回线层信号层之间的第一绝缘层，以及设置在回线层信号层和底层信号层之间的第二绝缘层。
6.根据权利要求4所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述矩形罗氏线圈还包括：单匝线圈连接线和回线；
所述矩形单匝线圈包括：单匝线圈顶层走线、内圈通孔、外圈通孔和单匝线圈底层走线；
内圈通孔和外圈通孔均贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层；单匝线圈顶层走线连接顶层信号层的内圈通孔和外圈通孔；回线设置在回线层信号层的内圈通孔和外圈通孔之间；单匝线圈底层走线连接底层信号层的内圈通孔和外圈通孔；
单匝线圈连接线在顶层信号层上连接内圈通孔与相邻矩形单匝线圈的外圈通孔，多个矩形单匝线圈首尾连接后的一端与积分器的第一输入端连接，首尾连接后的另一端与回线的一端连接，回线的另一端与积分器的第二输入端连接。
7.根据权利要求6所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述PCB板上开设有第一连接回线通孔和第二连接回线通孔，第一连接回线通孔和第二连接回线通孔分别贯穿顶层信号层、回线层信号层和底层信号层；
多个矩形单匝线圈首尾连接后的另一端通过第一连接回线通孔与回线的一端连接，回线的另一端通过第二连接回线通孔与积分器的第二输入端连接。
8.根据权利要求1所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述矩形开孔与碟簧的截面大小相同。
9.根据权利要求1所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述PCB板的厚度为1mm。
10.根据权利要求1所述的弹性压接IGBT器件芯片电流在线测量系统，其特征在于，所述PCB板的材料为铜。
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