適用于三相電機驅動(dòng)的智能功率模塊設計實(shí)用指南

本文旨在為 SPM 31 v2 系列功率模塊設計提供實(shí)用指南，該系列智能功率模塊 (IPM) 適用于三相電機驅動(dòng)，包含三相變頻段、柵極驅動(dòng)器等。

設計構思

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。其目標應用為工業(yè)變頻電機驅動(dòng)，例如商用空調、通用變頻器和伺服電機。SPM 31 v2 產(chǎn)品通過(guò) LVIC 實(shí)現了溫度感測功能，系統可靠性更高。我們提供了與模塊中 LVIC 溫度成比例的模擬電壓，以便監測模塊溫度并針對過(guò)溫情況提供必要的保護。圖 1 所示為封裝外形結構。

圖1.SPM 31 v2的外觀(guān)和內部結構

關(guān)鍵特性

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

● 采用DBC襯底，熱阻非常低

● 內置自舉電路，PCB布局更簡(jiǎn)單

● 采用開(kāi)放式發(fā)射極配置，可輕松監測每個(gè)相位的電流感測

● 通過(guò)內置HVIC和自舉操作，實(shí)現單點(diǎn)接地電源供電

● 利用LVIC實(shí)現了內置溫度感測功能

● 隔離等級達到2500Vrms/min。

產(chǎn)品說(shuō)明

● 訂購信息

圖2.訂購信息

● 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(xiàn)仿真工具運動(dòng)控制設計工具來(lái)找到適合目標應用的產(chǎn)品。封裝圖請參考封裝外形一章。

表 1.產(chǎn)品系列

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

2.正在開(kāi)發(fā)。

● 內部電路圖

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

圖3.內部等效電路圖

圖4.封裝頂視圖和引腳分配

表2.編號、名稱(chēng)和虛擬引腳

3. 帶 ( ) 的引腳為內部連接虛擬引腳。這些引腳應保持未連接。

● 引腳詳細定義及注意事項

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

◎ 用于驅動(dòng) IGBT 的高邊偏置電壓引腳和用于驅動(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。

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

◎ 自舉電路方案的優(yōu)勢在于高邊 IGBT 無(wú)需外部電源。

◎ 各個(gè)自舉電容器在相應的低邊 IGBT 和二極管處于導通狀態(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。

◎ 這些引腳是內置 IC 的控制電源引腳。

◎ 這四個(gè)引腳應外接。

◎ 為了避免電源電壓中的噪聲和紋波引起故障，應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流過(guò)該引腳。

引腳：HIN(U/V/W)、LIN(U/V/W)

◎ 信號輸入引腳。

◎ 這些引腳用于控制內置 IGBT 的操作。

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

◎ 這些引腳的信號邏輯為高電平有效。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 將導通。

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

◎ 為防止信號振蕩，建議采用圖 22 所示的 RC 耦合。

引腳：CIN

◎ 過(guò)流和短路檢測輸入引腳。

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

◎ 應根據與特定應用匹配的檢測水平來(lái)選擇分流電阻器。

◎ 為消除噪聲，應在 CIN 引腳上連接 RC 濾波器。

◎ 應盡量縮短分流電阻器與 CIN 引腳之間的連接長(cháng)度。

引腳：VFO

◎ 故障輸出引腳。

◎ 該引腳是故障輸出報警引腳。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。

◎ 報警條件包括過(guò)流保護 (OCP) 或低壓側偏置欠壓閉鎖 (UVLO) 操作。

◎ VFO 輸出為開(kāi)漏配置。VFO 信號線(xiàn)路應通過(guò)約 10 kΩ 電阻上拉至 5 V 邏輯電源。

引腳：CFOD

◎ 用于故障輸出持續時(shí)間控制的輸入引腳

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

引腳：VTS

◎ 模擬溫度感測輸出引腳。

◎ 這個(gè)引腳用于通過(guò)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。

◎ 內部連接到高邊IGBT的集電極。

◎ 為了抑制由直流鏈路布線(xiàn)或PCB布線(xiàn)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

◎ 負直流鏈路引腳。

◎ 這些引腳是變頻器的直流負電源引腳（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。

引腳：U、V、W

◎ 變頻器電源輸出引腳。

◎ 變頻器輸出引腳，用于連接變頻器負載（例如電機）。

封裝

● 封裝結構

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。

SPM 31 v2采用DBC襯底技術(shù)，具有非常出色的散熱特性，從而能夠實(shí)現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的封裝結構和橫截面

封裝外形

圖7.封裝外形

 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

本節重點(diǎn)介紹絕對最大額定值、電氣特性、推薦工作條件和機械特性。各產(chǎn)品的詳細說(shuō)明請參閱相應的產(chǎn)品手冊。

● 絕對最大額定值

（除非另有說(shuō)明，否則 Tj＝25°C）

如超過(guò)最大額定值表格中列出的應力，可能會(huì )損壞器件。如超過(guò)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(xiàn)電感，開(kāi)關(guān)操作時(shí)會(huì )產(chǎn)生浪涌電壓。

5. 計算值考慮了設計因素。

● 熱阻

（除非另有說(shuō)明，否則 Tj＝25°C）

6.外殼溫度(Tc)的測量點(diǎn)請參見(jiàn)圖8。

圖8.外殼溫度(Tc)檢測點(diǎn)

● 電氣特性

（除非另有說(shuō)明，否則VDD=15V且Tj＝25°C）

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

性能通過(guò)設計和/或 Tj＝Ta＝25°C 條件下的表征測試，在所示的工作溫度范圍內得到保證。測試過(guò)程中采用了低占空比脈沖技術(shù)，從而保持結溫盡量接近環(huán)境溫度。這些值基于設計和/或表征測試結果。

7.ton 和 toff 包括內部驅動(dòng) IC 的傳播延遲時(shí)間。tc(on) 和 tc(off) 是內部給定柵極驅動(dòng)條件下 IGBT 本身的開(kāi)關(guān)時(shí)間。詳細信息請參見(jiàn)圖9。

8.短路電流保護僅在低邊起作用。

9.根據以下近似方程，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LVIC的溫度，不能自動(dòng)關(guān)斷 IGBT。

圖9.開(kāi)關(guān)評估電路和開(kāi)關(guān)時(shí)間定義

● 推薦工作條件

（基于 NFAM3512L7B）

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

散熱器的平整度容差應在 ?50 μm 至 +100 μm 范圍內。

11.允許輸出電流值是本產(chǎn)品安全運行的參考數據。這可能與實(shí)際應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。

● 機械特性