#汽車電子 #電源設計 #功率元件 #牽引逆變器 #IGBT製程 #AEC-Q101
【測定電源模組之 IGBT 結溫與集電極電流的可靠方法】
用於目前和下一代混合／插電式混合、燃料電池及電池供電之電動汽車 (H/EV) 的牽引逆變器，需要崩潰電壓 650V 範圍的功率半導體裝置。採用第三代溝槽型場截止 IGBT 技術、且符合汽車級標準認證快速恢復二極體匹配的功率元件，具有更多特徵和選擇；例如，改變柵極墊尺寸和位置以容納不同直徑的鋁線、重新修改裸晶的尺寸並客製化崩潰電壓。
裸晶 IGBT 通常由電源模組製造商使用，這些製造商設計 H/EV 牽引逆變器，以實現高水準的功率整合和可靠性，或特殊的電源互連。最重要的目標是突破標準模組產品的功率限制。設計電源半導體時，設計人員將面臨功率損耗、熱管理、短路、過流／過壓和過熱保護，以及電流測定等挑戰。首先，功率損耗受 IGBT 的 VCEon 值、開關行為 (接通時間和斷開時間) 以及開關頻率影響，這些特性又會隨 IGBT 技術、柵極驅動電路、封裝的雜散電感及熱管理系統的特性而變化。
由於功率損耗不可能完全消除、只能減小，因此，熱管理的目標是消除從半導體損耗而產生的熱量。消除這種熱量最好的方法是改善矽本身和外界的熱傳導；而先進功率模組可在功率元件的頂部和底部採用燒結技術並結合雙面冷卻，以改善熱傳導。設計人員面臨的下一個問題是防止 IGBT 過熱、過壓和過流。要限制過壓，可利用合適的設計和控制電流通路的雜散電感量，並控制電流變化速率達成。透過及時檢測過電流和過熱並做出回應，能延長逆變器的使用壽命。
為控制馬達電流和轉矩，馬達控制系統要求測定電流。裸晶 IGBT 的單片式整合溫度檢測能透過測定一串多晶矽二極體的正向壓降 (VF) 實現。單片式電流檢測方法證明是測定 IGBT 接合點溫度 (Tj) 的最好方法，因為兩者具有線性依賴；惟須留意的是，溫度感測器要求二極體正向偏置且具有精確的恆定電流，造成的壓降須經介面電路檢測、調節，而此一介面電路須設計用於讀取較小的溫度相關 VF 值、抑制開關電壓，並傳送訊號通過隔離層。
單片式電流檢測可用於 H/EV 逆變器的各種應用，最簡單的用途是利用比較器電路做過流保護，以增強或代替傳統的退飽和保護。採用其他介面電路和智慧處理，並結合晶片內建溫度檢測做電機控制，則是更具挑戰性和潛在價值的應用。整合電流檢測和溫度檢測的電路，無需額外感測器，可簡化關鍵參數的檢測、減少零組件數量，擁有以下好處：對危險操作狀況的響應更快、接合點溫度測定更準確、功率矽的利用率更佳，且可靠性提高。
延伸閱讀：
《汽車級認證裸晶 IGBT 的單片式電流和溫度檢測》
http://compotechasia.com/a/ji___yong/2017/0220/34702.html
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#安森美半導體OnSemiconductor #PCGA160T65NF8 #PCGA200T65NF8 #PCGA300T65DF8
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比較器電路 在 Re: [問題] 關於ADC中的比較器- 看板Electronics - 批踢踢實業坊 的推薦與評價
※ 引述《wwwok (勇敢的堅持下去)》之銘言：
: 想請問一下各位大大
: 在ADC中的比較器 大部分適用什麼做的呢
: 我現在設計了一個flash ADC
: 用了不少比較器 雖然說op可以拿來當做比較器
: 但是面積好像大了點 而且op有很多種
: 不知道應該使用那一種的op來做呢
: 目前是用two stage的op來當比較器
: 但是好像無法作用的感覺
: 多謝版上各位大大了
應強者我同學的要求來發文的 我是弱者 -.-
首先是第一個問題
OPAmp為什麼不適合拿來當comparator?
或者可以這樣問
OPAmp跟comparator有什麼不同?
我所讀過的兩本Analog IC design教科書
Martin、Allen在開始介紹comparator的時候
也是把OPAmp拿來當作comparator使用
Power、Area也是考量之一，但是OPAmp不適合拿來當作comparator
最主要的原因我想是OPAmp太~ 慢~ 了~
如同推文j大所說的OPAmp主要是操作在閉迴路(負迴授)的情況之下
而comparator則是操作在開迴路的情況之下
將兩個有差距的輸入電壓"比較"出來，輸出電壓是"High" or "Low"
OPAmp在負迴授的情況之下，輸出電壓依然是類比值
(功能可能是加減，放大，積分)
要"追"類比值還是比"追"數位值來的輕鬆，一般對於追的速度有定義一個參數
叫做slew rate，你可以想像一下如果你的輸出電壓這個週期是high下個週期是
low在下個週期又是high，你的OPAmp可能要設計的很辛苦，以two-stage OPAmp
來說就是補償電容電阻不能太大而第二級偏壓電流要大，電流一大的情況之下
power是小不了的
另外在正常的情況之下使用OPAmp都是為了達到一些線性的功能
如線性放大線性積分…等，因此OPAmp裡面的Transister都是操作在飽和區
所以剛剛指的電流大還是指偏壓電流大，無時無刻在消耗的電流
OPAmp要考慮到的參數大多有Gain、Bandwidth、PM、linearity
PSRR、CMRR、ICMR、slew rate…等，蠻多參數其實都是由負迴授電路的spec
所決定的，比方說SC Amp的速度要多快？誤差要多小？就可以決定OPAmp的Gain
Bandwidth、Slew rate，運用在Preamplifier(ex. 儀表放大器)的情況之下大部分是
看用在哪個系統 通訊? 生醫? 可以去推OPAmp的PSRR CMRR等參數
OPAmp當comparator用大概就像是開坦克車去跑F1賽道一樣，不是說
坦克車比賽車差，只不過現在是跑賽車跑道… 戰車的規格做的在怎麼高，速度
在怎麼快，要跟跑車比快還是辛苦，因為它們的用途不同，架構也就不一樣，設計
的過程要考量的東西也不盡相同，但要作一台跑的比F1賽車快的坦克有沒有可能?
有~ 對岸什麼東西都做出來了 這個世界上還有什麼不可能…
只不過不太值得就是了，雖然說OPAmp跟comparator的符號長的一樣
不過他們其實還是很不同的~
============== 介紹完了OPAmp 接下來換介紹我自己 XD =============
回到正題，有這麼多評估OPAmp好壞的參數 那 有沒有comparator的呢?
有的 一般來說就是speed(settling time)、input offset、resolution為主要考量
當然還有G大所說的kickback noise、clock feedthrough、channel charge injection
等問題要考量，其中speed跟resolution比較像是規格，其他的比較像是製程變
異或者開關切換本身會帶來的問題。
目前comparator的主流應該是latch-based comparator居多
基本的架構就是Preamplifier + Latch (+ buffer)，buffer要不要加得視情況而定
Preamplifier其實有點像架構簡單的OPAmp，不過不同的地方在於
它不需要像OPAmp的Gain要高達數百數千甚至數萬，這個preamplifier的
規格一般而言個位數到十幾就差不多了，因為它的功能只是要把兩個輸入電壓的
壓差放大(開迴路操作)讓後面的latch能夠快速的比較出來(positive feedback)
當然這個preamplifier也要夠快，不然會拖垮comparator的速度
加裝preamplifier的好處蠻多的，latch的offset會因為preamplifier
的關係讓它的影響變小，而開關切換造成的一些雜訊也可以由preamplifier擋下來，
不會讓他影響到前面的電路(ex. Sample & Hold)
preamplifier可以將較小的壓差放大然後比較出來
也就等效的把comparator的resolution提升了，另外preamplifier自己本身的offset
可以由一些SC電路技術抵銷，不過這樣一來就要考量穩定度的問題了(負迴授)
當然加裝preamplifier的代價就是增加power消耗，尤其是flash ADC使用的比
較器是以2^N來計算，數量非常可觀
================= 閒聊 =================
本身有參予設計過的ADC是successive approximation ADC跟 pipeline ADC
Flash ADC不是很熟只有一些簡略的概念
以Flash ADC來說comparator本身的設計可能還好，加上他一個週期就可以作一
次A/D轉換，所以clocked comparator就等同於S/H電路了，comparator的速度
則是主要要求，因此CML(current mode logic)為基礎的latch應用在comparator
還算一個不錯的方法。
comparator的resolution變的沒有那麼重要，首先是因為Flash ADC本身
不太可能做到太高解析度(約4~6 bits)再者就是編碼器裡面的校正技術
(現在還蠻熱門的研究方向)可以把comparator造成的誤差校正回來
comparator可能會有preamplifier的設計但是正常不會有SC的消除offset技術在
裡頭，因為速度太快了~ CIC得獎晶片有一個是Flash ADC操作頻率是5GHz
另一個重點就是參考電壓的準確度，Flash ADC的參考電壓是由電阻分壓取得的
而矽製程的電阻，製程漂移蠻大的，參考電壓飄掉就像是量身高的尺不準一樣
轉換出來的數位值後面再校正都沒有用，電路設計有電阻平均校正技術，layout
方面也有相關的論文提出一些技術，如環狀電阻佈局技術就是去避免電阻彼此之
間的Mismatch，大家一起飄OK但要飄的一樣多，但是你飄5歐姆我飄10歐姆
就仆街了。對於Flash ADC我懂的大概就這麼多吧
==================== 後話 ======================
對於ADC的研究，目前我也是剛開始而已，給你一些建議，可以先去找幾本不錯
的教科書，專門講解Mixed-signal IC的那種會比較好，或者去修MSIC的課，了
解有哪些參數可以評估ADC or DAC的優劣，更進一步的是由這些參數去把子電
路(comparator or OPAmp)的規格開出來，這是"從系統到電路"的觀點
當然也要去看一些Analog IC的書把這些子電路練好，能修課作一些作業是最快的方式
畢竟要累積經驗最快的方式還是實戰，如果能夠了解到電路非理想效應會影響到整
個ADC，那麼"從電路到系統"也有了，這概念很重要，因為很多的校正的原點都在這裡
對電路要有一些感覺，以OPAmp來說two-stage就是慢，補償是個原因，一般
來說Cc>CL，slew rate的設計就受到蠻大的限制，最主要的是它的主極點不在負
載端，如果你的電容負載變大第二極點會被拉回來，進而影響到電路的穩定度
主極點做不到太高頻，因為補償本來就是把主極點往低頻拉藉此拉開兩個極點
同時可能也不能掛太大的電容負載，優點就是高輸出擺幅，高增益。
單級的OPAmp(Telescopic、fold cascade、gain boosting)來說就是高速
但是擺幅受到限制(上下各疊兩層)，Gain也不好做大，Gain boosting雖然可以把
Gain提升(相當於疊三層)但是相對來說輸出擺幅更小，偏壓電路也不太好設計
跟two-stage的偏壓電路比起來複雜多了
大概說起來就是要了解為了解決什麼問題，然後要用什麼架構？這個架構會帶來
哪些負面影響？該怎麼取捨？這樣大概就算入門了吧
有一句話是這麼說的，如果CPU對數位電路來說像心臟那樣重要
那麼OPAmp就是類比電路的心臟!! comparator也蠻重要的… 當腎臟好了 XD
還有switch、current mirror、analog buffer、Bias circuit…等都是需要下工夫的電路
(韓國人預言OPAmp以後會消失... 蠻有可能的)
還有一點蠻重要的就是去想辦法借到前輩的"碩士論文"
用中文寫的碩論第一個好處就是：它是用中文寫的 XD
還有就是他對電路的描寫可能比較親切近人，畢竟從課本或是paper參考的電路
size要怎麼給? 偏壓要怎麼設計? 電容值電阻值? 這些都是需要經驗的
這也是類比工程師的價值所在，找個學長或者前輩巴著他，然後用力的吸(功)
能吸多少算多少，最根本的方式就是把電子學整個弄懂管他comparator還是
OPAmp還是其他電路反正都是由MOS兜起來的，只是用途不同罷了，由電路架
構就可以猜出它為了避免什麼問題？想要提升什麼優勢？電流怎麼流動？電壓
卡到哪裡？迴授的用途？到這種程度你就已經練成寫輪眼了，基本電路已經不是
太大問題，看paper或者原文書你都可以了解設計者的理念了，等到你能夠跟你
老闆打嘴砲然後把他唬的一愣一愣的，恭喜你連萬花筒都練成了… 直接放幻術 XD
對於電子學我還蠻推薦林昀的，雖然只是基本的電子學但是他把電路演進的理念
講的很詳細，萬變不離其宗，分析他人的電路有了一定的經驗之後，接下來就有
可能創新，雖然我本人還沒做到，但是我看到的強者大多是這樣養起來的
最後是matlab要會用，因為ADC不管是模擬還是量測都需要用到這套軟體
以上 我懂的大概就這些
歡迎各位朋友指教
有機會在交流
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