智能功率模塊用于汽車(chē)高壓輔助電機負載應用

作者 Thomas Yim 安森美半導體高級經(jīng)理

摘要：集成的智能功率模塊(IPM)將在汽車(chē)功能電子化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，促成新一代緊湊的、高能效和高可靠性的電機驅動(dòng)器，實(shí)現在內燃機中省去耗能的機械式驅動(dòng)負荷。IPM的主要促成元素有場(chǎng)截止溝槽IGBT、STEALTH 二極管、HVIC、LVIC和DBC技術(shù)等。

提升燃油經(jīng)濟性

　　汽車(chē)法規的當前趨勢是刺激對每英里產(chǎn)生更少CO2的更經(jīng)濟車(chē)輛的需求。車(chē)輛購置稅政策目前支持低污染的車(chē)型，汽車(chē)制造商必須遵守新的法規，如歐盟的車(chē)隊平均排放指令，懲罰不提供燃油經(jīng)濟性的汽車(chē)品牌。所有汽車(chē)的平均CO2排放量不得超過(guò)130克/公里，而不遵守的制造商必須每售出一臺汽車(chē)就支付過(guò)量排放費。到2021年CO2的限制將減少到95克/公里，CO2減排法規將提前不斷加強。

　　汽車(chē)制造商為實(shí)現更高燃油能效的戰略的重要一環(huán)是由電動(dòng)驅動(dòng)取代傳統由發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的主要子系統。這包括水泵、油泵、空調、渦輪增壓器和動(dòng)力轉向。這有效地減少了發(fā)動(dòng)機上的機械負荷，令更多的能量通過(guò)燃燒燃油釋放出來(lái)，用于驅動(dòng)車(chē)輛。以電裝置取代機械馬達負載(如泵、風(fēng)扇、壓縮機)可減少燃油消耗高達3%至5%。

　　汽車(chē)行業(yè)期望確保電氣系統更換盡可能高效，因為車(chē)輛的電能由電池供電，電池本身通過(guò)發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)發(fā)電機充電。新的電氣負載不應需求過(guò)多的電力，也應設計為最大限度地減少可避免的能源損耗，以最大化整體燃油經(jīng)濟性。另一個(gè)關(guān)注的問(wèn)題是越來(lái)越多的電動(dòng)驅動(dòng)系統對車(chē)輛線(xiàn)束的大小和重量的影響，汽車(chē)制造商需要有效的技術(shù)，以防止線(xiàn)束變得過(guò)大和沉重。

　　為電氣系統的更換設計大功率電機驅動(dòng)器，在幫助汽車(chē)制造商實(shí)現他們在能效、物理尺寸和亮度的目標方面有重大影響。

利用現有的設計專(zhuān)知

　　汽車(chē)行業(yè)可以吸取以往在其它領(lǐng)域獲得的驅動(dòng)設計經(jīng)驗。例如，在家用電器市場(chǎng)，多年來(lái)對高能效電機驅動(dòng)的需求極為重要。有助于比較不同設備能效等級的產(chǎn)品標簽計劃，令消費者注重能效和促成知情購買(mǎi)決策，可以減少總的CO2排放量，有助于減少個(gè)人公用事業(yè)費。

　　為達到最佳的能效等級，白色家電和工業(yè)應用，包括大功率電機(0.5kW~10kW)，如洗衣機、伺服驅動(dòng)器、工業(yè)泵在以節能可變速變頻驅動(dòng)器更換低成本簡(jiǎn)單的單速驅動(dòng)。隨著(zhù)這些驅動(dòng)器的成本降低，功率半導體技術(shù)的進(jìn)步和知識產(chǎn)權(如磁場(chǎng)定向控制(FOC)固件)的成熟，采用可變速驅動(dòng)的電器已逐漸從高端設備過(guò)渡到主流產(chǎn)品范圍。在發(fā)達國家的許多房主現在可以享有他們家電的變速驅動(dòng)的優(yōu)勢，這不僅包括較低的設備運行成本，還包括更安靜的運行和更靈活的使用模式。

　　安靜及高能效的電機驅動(dòng)器對汽車(chē)行業(yè)將是額外的吸引力。隨著(zhù)內燃機日益向電驅動(dòng)模式和啟停(微型混合)模式發(fā)展的趨勢，傳統的發(fā)動(dòng)機噪聲正在逐步從汽車(chē)車(chē)艙消除。由于客艙更安靜，其他機制如電動(dòng)機也必須更小聲，以確保盡可能最佳的終端用戶(hù)體驗。

　　此外，變速控制可調節油和冷卻劑的流速，以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機在寬范圍工作條件的需要。如果發(fā)動(dòng)機已高速運行，然而此時(shí)交通堵塞，要求發(fā)動(dòng)機空轉，同時(shí)傳統的水泵要慢下來(lái)。電子控制的變速泵可以通過(guò)編程以在發(fā)動(dòng)機內的熱條件以理想的速率移動(dòng)冷卻液，也可以在發(fā)動(dòng)機關(guān)閉后繼續運行，以?xún)?yōu)化發(fā)動(dòng)機的冷卻曲線(xiàn)。

電源模塊的集成

　　變頻驅動(dòng)比簡(jiǎn)單的定速驅動(dòng)更復雜。它們包含一個(gè)運行FOC算法的控制器、用于驅動(dòng)電流到電機相的功率晶體管橋所需的高邊和低邊門(mén)極驅動(dòng)器、在三相橋內達6個(gè)IGBT或MOSFET和保護電力設備及系統免受潛在的破壞性危害(如浪涌電壓、短路電流和過(guò)溫)的保護電路。

　　在控制模塊如電機驅動(dòng)中更高的功能整合對使制造商在未來(lái)的汽車(chē)底盤(pán)增加所需的額外的電路至關(guān)重要。實(shí)際上，整合不僅有助于節省空間，而且還可以幫助降低成本，提高可靠性，加快新產(chǎn)品的上市進(jìn)程。有利的是，在家電行業(yè)中獲得的現有的電機驅動(dòng)設計經(jīng)驗可以幫助滿(mǎn)足這些要求。

　　家電市場(chǎng)的需求促進(jìn)智能功率模塊(IPM)的創(chuàng )建，它利用最先進(jìn)的制造和封裝技術(shù)以結合高壓、大功率電路及邏輯電路在同一器件中。

　　IPM在關(guān)鍵柵極驅動(dòng)器和保護電路的同一模塊中集成橋式高壓硅電源。這為電機驅動(dòng)系統的設計人員提供了幾個(gè)優(yōu)勢。巨大的優(yōu)勢是，客戶(hù)可以實(shí)現基于直接鍵合銅(DBC)技術(shù)的極低的Tj性能。顯然，它也簡(jiǎn)化了功率級的設計，否則將需要工程師自己配置邏輯和電源電路，并處理所有的原型，以成功地將它們集成為一個(gè)系統，以及設計保護電路。由于這些任務(wù)繁雜，現成的方案是非常有價(jià)值的。

　　而且，在單個(gè)模塊中集成所有驅動(dòng)器的功率級電路遠比由分立元件組成的方案省空間。該模塊占位可更小，通常會(huì )有一個(gè)較低的安裝高度。此外，由于必須被放置和連接的單個(gè)元件較少，整體可靠性增加。

滿(mǎn)足汽車(chē)應用需求

　　安森美半導體的FAM65V05DF1汽車(chē)IPM智能功率模塊的出現標志著(zhù)新一代汽車(chē)認證的(AECQ100/101)集成功率模塊的出現。該模塊包含一個(gè)由6個(gè)功率開(kāi)關(guān)組成的三相橋，每個(gè)功率開(kāi)關(guān)都結合一個(gè)650V高能效場(chǎng)截止溝槽短路級IGBT和一個(gè)具有軟恢復特性及低反向恢復電流的續流二極管。由于使用高壓總線(xiàn)以較小的橫截面和低重量的電導體的低電流為電負荷配電的行業(yè)期待， IGBTs 650 V額定值支持約200~400 V母線(xiàn)電壓，提供足夠的安全裕量。

　　三個(gè)單通道高壓IC(HVIC)控制高邊IGBT的門(mén)極，一個(gè)三路輸出的低壓IC(LVIC)控制低邊IGBT的門(mén)極，如圖3所示。

　　FAM65V05DF1 中的LVIC和HVIC實(shí)施個(gè)別的欠電壓鎖定(UVLO)電路以保護IGBT，避免以不足的門(mén)極驅動(dòng)電壓工作。過(guò)流保護電路在LVIC中實(shí)施，提供軟關(guān)斷特性，通過(guò)衰減門(mén)極電壓，而不是突然關(guān)斷器件，保護IGBT免受潛在的破壞性電壓浪涌。該模塊的溫度傳感器用以協(xié)調熱保護，也集成在LVIC中。此外，該LVIC有故障輸出，可用于激活系統等級保護以實(shí)現最佳的可靠性。

　　對于汽車(chē)應用，模塊的熱性能非常重要。峰值環(huán)境溫度可能非常高，特別是模塊附近或在發(fā)動(dòng)機上，同時(shí)必須確保至少在保修期或比保修期稍長(cháng)的時(shí)期內的可靠性。尺寸和成本的限制也必須考慮到。直接鍵合銅(DBC)基板提供具性?xún)r(jià)比和熱能效的方案。在汽車(chē)IPM中，IGBT和續流二極管被直接連接到DBC基板。這確保了從電源芯片的熱量有效地抽取至封裝邊緣，在封裝邊緣可以附加散熱器以幫助散熱。

　　把功率半導體、驅動(dòng)器和保護電路集成到單個(gè)模塊，在僅44mmx26mm的占位上實(shí)現了一個(gè)完整的三相橋和驅動(dòng)器。相比傳統使用單個(gè)汽車(chē)認證的元件(分立IGBT+外部三相門(mén)極驅動(dòng)器等)實(shí)施的控制器，該方案可以節省30%的PCB空間。

總結

　　隨著(zhù)提高內燃機能效的重要性不斷加強，高能效集成的高壓電源模塊是提供緊湊的、實(shí)惠的和可靠的電氣以替代通常由發(fā)動(dòng)機曲柄驅動(dòng)的耗能的機械驅動(dòng)器的關(guān)鍵。這些模塊結合功率開(kāi)關(guān)、門(mén)極驅動(dòng)和邏輯電路在單個(gè)器件中，如智能功率模塊，類(lèi)似于已經(jīng)在當今一些最好的家用電器證實(shí)的方案。場(chǎng)截止溝槽IGBT、STEALTH 二極管、HVIC、LVIC和DBC技術(shù)是促成新一代汽車(chē)IPM的主要促成元素，以滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的能效、可靠性、成本和尺寸的要求。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。