適用于三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)的智能功率模塊設(shè)計(jì)實(shí)用指南

本文旨在為 SPM 31 v2 系列功率模塊設(shè)計(jì)提供實(shí)用指南，該系列智能功率模塊 (IPM) 適用于三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)，包含三相變頻段、柵極驅(qū)動(dòng)器等。

設(shè)計(jì)構(gòu)思

SPM 31 v2 旨在提供封裝緊湊、功耗更低且可靠性更高的模塊。為此，它采用了新型柵極驅(qū)動(dòng)高壓集成電路 (HVIC)、基于先進(jìn)硅技術(shù)的新型絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，以及基于壓鑄模封裝的改進(jìn)型直接鍵合銅 (DBC) 襯底。與現(xiàn)有的分立方案相比，SPM 31 v2 的電路板尺寸更小，可靠性更高。其目標(biāo)應(yīng)用為工業(yè)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，例如商用空調(diào)、通用變頻器和伺服電機(jī)。SPM 31 v2 產(chǎn)品通過 LVIC 實(shí)現(xiàn)了溫度感測(cè)功能，系統(tǒng)可靠性更高。我們提供了與模塊中 LVIC 溫度成比例的模擬電壓，以便監(jiān)測(cè)模塊溫度并針對(duì)過溫情況提供必要的保護(hù)。圖 1 所示為封裝外形結(jié)構(gòu)。

圖1.SPM 31 v2的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

關(guān)鍵特性

1200V/15、25、35A、三相FS7 IGBT變頻器，包括用于柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的控制IC

采用DBC襯底，熱阻非常低

內(nèi)置自舉電路，PCB布局更簡(jiǎn)單

采用開放式發(fā)射極配置，可輕松監(jiān)測(cè)每個(gè)相位的電流感測(cè)

通過內(nèi)置HVIC和自舉操作，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地電源供電

利用LVIC實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置溫度感測(cè)功能

隔離等級(jí)達(dá)到2500Vrms/min。

產(chǎn)品說明

訂購(gòu)信息

圖2.訂購(gòu)信息

產(chǎn)品系列

表 1 展示了 SPM31 v2 產(chǎn)品系列，其中未包含封裝差異。建議使用在線仿真工具運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)工具來找到適合目標(biāo)應(yīng)用的產(chǎn)品。封裝圖請(qǐng)參考封裝外形一章。

表 1.產(chǎn)品系列

1.上述額定功率是根據(jù)特定操作條件仿真得出的結(jié)果，因此可能會(huì)隨操作條件的變化而改變。

2.正在開發(fā)。

內(nèi)部電路圖

三個(gè)自舉電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)高邊 IGBT 所需的電壓。自舉二極管是HVIC的內(nèi)部部件，高邊 IGBT 的驅(qū)動(dòng)電壓通過自舉電路從VDD (15V) 獲取。針對(duì)高邊驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供了一個(gè)內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換電路，因此所有控制信號(hào)均可直接由與控制電路（例如微控制器）共用的GND電平驅(qū)動(dòng)，無(wú)需使用光耦合器進(jìn)行外部隔離LVIC溫度感測(cè)信號(hào)通過VTS引腳輸出。

圖3.內(nèi)部等效電路圖

圖4.封裝頂視圖和引腳分配

表2.編號(hào)、名稱和虛擬引腳

3. 帶 ( ) 的引腳為內(nèi)部連接虛擬引腳。這些引腳應(yīng)保持未連接。

引腳詳細(xì)定義及注意事項(xiàng)

引腳：VB(U)?VS(U)、VB(V)?VS(V)、VB(W)?VS(W)

用于驅(qū)動(dòng) IGBT 的高邊偏置電壓引腳和用于驅(qū)動(dòng) IGBT 的高邊偏置電壓接地引腳。

VB(U)、VB(V)、VB(W) 引腳分別連接到每相自舉二極管的陰極引腳。

這些引腳是驅(qū)動(dòng)電源引腳，用于向高邊 IGBT 提供柵極驅(qū)動(dòng)電源。

自舉電路方案的優(yōu)勢(shì)在于高邊 IGBT 無(wú)需外部電源。

各個(gè)自舉電容器在相應(yīng)的低邊 IGBT 和二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)期間，由 VDD 電源充電。

為了避免電源電壓中的噪聲和紋波引起故障，應(yīng)該在這些引腳附近安裝優(yōu)質(zhì)（低 ESR、低 ESL）濾波電容器。

引腳：VDD(L)、VDD(UH)、VDD(VH)、VDD(WH)

低邊和高邊偏置電壓引腳。

這些引腳是內(nèi)置 IC 的控制電源引腳。

這四個(gè)引腳應(yīng)外接。

為了避免電源電壓中的噪聲和紋波引起故障，應(yīng)該在這些引腳附近安裝優(yōu)質(zhì)（低 ESR、低 ESL）濾波電容器。

引腳：VSS

公共電源接地引腳。

該引腳是內(nèi)置 IC 的電源接地引腳。

重要提示：為避免噪聲影響，主電源電路的電流不應(yīng)流過該引腳。

引腳：HIN(U/V/W)、LIN(U/V/W)

信號(hào)輸入引腳。

這些引腳用于控制內(nèi)置 IGBT 的操作。

這些引腳由電壓輸入信號(hào)激活，而端子內(nèi)部連接到一個(gè)由 5V 級(jí) CMOS 組成的施密特觸發(fā)器電路。

這些引腳的信號(hào)邏輯為高電平有效。在這些引腳上施加足夠大的邏輯電壓時(shí)，與這些引腳關(guān)聯(lián)的 IGBT 將導(dǎo)通。

為保護(hù) SPM 31 v2 產(chǎn)品免受噪聲影響，每個(gè)輸入的布線應(yīng)盡可能短。

為防止信號(hào)振蕩，建議采用圖 22 所示的 RC 耦合。

引腳：CIN

過流和短路檢測(cè)輸入引腳。

要檢測(cè)過流或短路電流，需要將電流感測(cè)分流電阻器連接在 CIN 引腳之前的低通濾波器和低壓側(cè)接地引腳 VSS 之間。

應(yīng)根據(jù)與特定應(yīng)用匹配的檢測(cè)水平來選擇分流電阻器。

為消除噪聲，應(yīng)在 CIN 引腳上連接 RC 濾波器。

應(yīng)盡量縮短分流電阻器與 CIN 引腳之間的連接長(zhǎng)度。

引腳：VFO

故障輸出引腳。

該引腳是故障輸出報(bào)警引腳。SPM 31 v2 產(chǎn)品處于故障狀態(tài)時(shí)，該引腳會(huì)輸出一個(gè)低電平有效信號(hào)。

報(bào)警條件包括過流保護(hù) (OCP) 或低壓側(cè)偏置欠壓閉鎖 (UVLO) 操作。

VFO 輸出為開漏配置。VFO 信號(hào)線路應(yīng)通過約 10 kΩ 電阻上拉至 5 V 邏輯電源。

引腳：CFOD

用于故障輸出持續(xù)時(shí)間控制的輸入引腳

故障輸出的持續(xù)時(shí)間取決于 CFOD 和 VSS 引腳之間的電容。

引腳：VTS

模擬溫度感測(cè)輸出引腳。

這個(gè)引腳用于通過模擬電壓指示 LVIC 的溫度。LVIC 本身會(huì)產(chǎn)生一定的功率損耗，但主要是 IGBT 產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致 LVIC 的溫度升高。

VTS 與溫度間的關(guān)系特性如圖 15 所示。

引腳：P

正直流鏈路引腳。

變頻器的直流鏈路正電源引腳。

內(nèi)部連接到高邊IGBT的集電極。

為了抑制由直流鏈路布線或PCB布線電感引起的浪涌電壓，需要在該引腳附近連接一個(gè)平滑濾波電容器（提示：通常使用金屬薄膜電容器）。

引腳：NU、NV、NW

負(fù)直流鏈路引腳。

這些引腳是變頻器的直流負(fù)電源引腳（電源接地）。

這些引腳連接到每相的低邊IGBT發(fā)射極。

這些引腳用于連接一個(gè)或三個(gè)分流電阻器進(jìn)行電流感測(cè)。

引腳：U、V、W

變頻器電源輸出引腳。

變頻器輸出引腳，用于連接變頻器負(fù)載（例如電機(jī)）。

封裝

封裝結(jié)構(gòu)

由于散熱是限制功率模塊電流能力的重要因素，因此封裝的散熱特性對(duì)于性能的影響至關(guān)重要。在散熱特性、封裝尺寸和隔離特性之間需要進(jìn)行一些權(quán)衡取舍。出色的封裝技術(shù)關(guān)鍵在于保持出色的散熱特性，同時(shí)優(yōu)化封裝尺寸，而又不影響隔離等級(jí)。

SPM 31 v2采用DBC襯底技術(shù)，具有非常出色的散熱特性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的可靠性和散熱性能。功率芯片直接安裝在DBC襯底上。

圖5和圖6為SPM 31 v2封裝的外形和橫截面。

圖5.信號(hào)引腳、電源引腳和引腳至散熱器的隔離距離

圖6.SPM 31 v2的封裝結(jié)構(gòu)和橫截面

封裝外形

圖7.封裝外形

產(chǎn)品簡(jiǎn)介

本節(jié)重點(diǎn)介紹絕對(duì)最大額定值、電氣特性、推薦工作條件和機(jī)械特性。各產(chǎn)品的詳細(xì)說明請(qǐng)參閱相應(yīng)的產(chǎn)品手冊(cè)。

絕對(duì)最大額定值

（除非另有說明，否則 Tj＝25°C）

如超過最大額定值表格中列出的應(yīng)力，可能會(huì)損壞器件。如超過上述任何限制，就不能假定器件功能正常，這時(shí)器件可能會(huì)出現(xiàn)損壞且可靠性可能受到影響。

4.由于P和NU、NV、NW端子之間存在走線電感，開關(guān)操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓。

5. 計(jì)算值考慮了設(shè)計(jì)因素。

熱阻

（除非另有說明，否則 Tj＝25°C）

6.外殼溫度(Tc)的測(cè)量點(diǎn)請(qǐng)參見圖8。

圖8.外殼溫度(Tc)檢測(cè)點(diǎn)

電氣特性

（除非另有說明，否則VDD=15V且Tj＝25°C）

除非另有說明，否則“電氣特性”所示的產(chǎn)品參數(shù)性能是在所列的測(cè)試條件下獲得的。如在不同條件下運(yùn)行，產(chǎn)品性能可能與“電氣特性”中所示不同。

性能通過設(shè)計(jì)和/或 Tj＝Ta＝25°C 條件下的表征測(cè)試，在所示的工作溫度范圍內(nèi)得到保證。測(cè)試過程中采用了低占空比脈沖技術(shù)，從而保持結(jié)溫盡量接近環(huán)境溫度。這些值基于設(shè)計(jì)和/或表征測(cè)試結(jié)果。

7.ton 和 toff 包括內(nèi)部驅(qū)動(dòng) IC 的傳播延遲時(shí)間。tc(on) 和 tc(off) 是內(nèi)部給定柵極驅(qū)動(dòng)條件下 IGBT 本身的開關(guān)時(shí)間。詳細(xì)信息請(qǐng)參見圖9。

8.短路電流保護(hù)僅在低邊起作用。

9.根據(jù)以下近似方程，故障輸出脈沖寬度 tFOD 取決于CFOD的電容值：故障輸出脈沖寬度?tFOD＝0.11×106×CFOD[s]。

10.TLVIC是LVIC本身的溫度。VTS僅用于感測(cè)LVIC的溫度，不能自動(dòng)關(guān)斷 IGBT。

圖9.開關(guān)評(píng)估電路和開關(guān)時(shí)間定義

推薦工作條件

（基于 NFAM3512L7B）

不建議在超過推薦工作范圍中所列應(yīng)力的情況下操作器件。長(zhǎng)期承受超出推薦工作范圍限值的應(yīng)力可能會(huì)影響器件的可靠性。

散熱器的平整度容差應(yīng)在 ?50 μm 至 +100 μm 范圍內(nèi)。

11.允許輸出電流值是本產(chǎn)品安全運(yùn)行的參考數(shù)據(jù)。這可能與實(shí)際應(yīng)用和操作條件有所不同。

12.如果輸入脈沖寬度小于推薦值，產(chǎn)品可能不會(huì)響應(yīng)。

機(jī)械特性

審核編輯：劉清