高集成汽車(chē)功率模塊改進(jìn)汽車(chē)電氣化設計

很少有其它應用場(chǎng)所和車(chē)輛行駛環(huán)境一樣，對各種電子元器件的要求異常嚴苛，它往往意味著(zhù)如何讓用于汽車(chē)或卡車(chē)的電機設計實(shí)現更高的耐用性、可靠性和高效率將成為一項嚴格的挑戰。例如，機架式電動(dòng)助力轉向系統可能會(huì )面臨超過(guò)100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負載，并且還會(huì )接觸到石油產(chǎn)品和鹽水、噴霧等——所有這些都要求提供150 A或更高的電機相電流，同時(shí)還要求損耗能夠達到最小。其次，制造成本、尺寸大小和重量也是需要考慮的另一個(gè)因素，因此針對特殊設計查找合適的組件就顯得尤為重要。

目前，出現了一種趨勢有助于汽車(chē)設計師改進(jìn)電氣化，即日益普遍采用的高度集成汽車(chē)功率模塊（APM，Automotive Power Modules），此類(lèi)模塊能夠以較小的尺寸提供較高的功率密度，本文將重點(diǎn)探討APM功率模塊在提高汽車(chē)電氣性能的同時(shí)，使設計更為緊湊的實(shí)現方式。

APM功率模塊的構成

一般來(lái)說(shuō)，APM汽車(chē)功率模塊通常在單個(gè)緊湊封裝中集成了全部功能所需的器件，這很容易在設計中實(shí)現。例如，飛兆半導體的FTCO3V455A1就是一款符合汽車(chē)應用要求的MOSFET逆變器功率級模塊，它可提供三相逆變器的所有功能，包括六個(gè)提供高電流、高效率操作的MOSFET.該模塊中還集成了從電池到地的RC緩沖電路，緊密耦合到MOSFET橋，以改進(jìn)EMI性能；還包括用于電流感測的0.5 毫歐精密分流電阻，可提供電流反饋，實(shí)現電機控制和過(guò)流保護。另外，該汽車(chē)功率模塊內部還設有一個(gè)溫度感測NTC，用于監控逆變器的發(fā)熱情況。和其他制造商APM模塊的設計原理一樣，這款功率模塊可提供不同的電路組合——設計人員可使用APM汽車(chē)功率模塊代替分立式設計，由此創(chuàng )建出一個(gè)尺寸更小、能夠提供更高功率密度的系統。

在實(shí)際應用中，APM功率模塊通常被直接安裝在電機外殼表面，允許PCB僅沿模塊一側連接至信號引腳（如圖1所示）。


圖1：三相逆變器APM汽車(chē)功率模塊示意圖

在所示的電路中，電源線(xiàn)放在模塊相反的兩側，用于分離控制和電源接口。這樣，PCB上就不需要高電流走線(xiàn)，使得設計實(shí)施和生產(chǎn)更為簡(jiǎn)單。傳熱式直接敷銅（DBC）結構在安裝表面和電氣有源組件之間提供2500 Vrms電氣隔離。

減少機械連接，提升熱性能

在使用分立式封裝組件開(kāi)發(fā)的逆變器中，如TO-263或MO-299封裝通常都會(huì )有較多的機械接口需要處理，其中包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，某些情況下還可能有散熱片至下一級組件的連接等。這些機械接口與系統的熱性能緊密相關(guān)，而在A(yíng)PM汽車(chē)功率模塊中，這些大部分的機械接口已整合于A(yíng)PM之中，在許多情況下，要進(jìn)行的唯一純機械連接是從模塊到散熱片。

與安裝在PCB或IMS上的六個(gè)或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過(guò)APM功率模塊實(shí)現的簡(jiǎn)化機械接口設計可獲得極好的熱性能。如圖2所示，它顯示出對于逆變器的所有六個(gè)MOSFET，從結至外殼以及通常從結至散熱片的瞬態(tài)熱阻，結至散熱片的熱阻體現為采用30 ？m厚系數為2.1 W/（m-K）的導熱材料。

圖2： APM汽車(chē)功率模塊瞬態(tài)熱阻

采用這種從散熱片到硅的簡(jiǎn)單堆疊，可獲得出色的熱性能，也使得全逆變器可采用極高功率密度的封裝。例如，圖2所使用的APM功率模塊其尺寸為29x44x5mm，可構成約400 mL總容量的極緊湊逆變器組件，包括繼電器、直流鏈路濾波器組件、控制PCB、散熱片和連接器等。

其它性能優(yōu)勢

采用分立式解決方案，載流量容易受到引線(xiàn)框架和IMS走線(xiàn)厚度的限制。而使用單封裝的APM功率模塊可顯著(zhù)增強載流量。此外，分立式解決方案還有較高的總逆變器電阻、逆變器電感、走線(xiàn)電阻和柵極驅動(dòng)電路電感，以及更高的熱阻（結-散熱片）。為此，所有這些性能特性通過(guò)將分立式解決方案替換為APM功率模塊而得到改進(jìn)。

另一方面，更好的EMC特性也是使用APM功率模塊的另一個(gè)原因。采用這種模塊可以更輕松地隔離功率和信號引腳，實(shí)現更低的電感并靠近RC濾波，同時(shí)，使用APM功率模塊還可以提供更高的扭矩輸出，由此將電動(dòng)系統的應用領(lǐng)域擴大至重型車(chē)輛。

結論

APM功率模塊可用于各種汽車(chē)電子子系統，尤其適用于電控助力轉向、油和水泵，以及冷卻風(fēng)扇應用中。汽車(chē)電子設計工程師充分利用現成的APM功率模塊，將能夠更好地實(shí)現汽車(chē)子系統的電源管理功能。APM功率模塊以更小的尺寸達到更高的功率密度，并且最大程度地減少了機械連接，降低了熱阻，更為重要的是，與分立式解決方案相比，這種APM功率模塊還可以提高汽車(chē)電子的各項電氣性能。