智能功率模塊(SPM)的技術水平分析

在消費電器和一般工業(yè)應用的低功率電機驅(qū)動領域中，采用轉(zhuǎn)模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發(fā)展趨勢。飛兆半導體的智能功率模塊(SPM)涵蓋0.05至7kW的功率范圍，具有緊湊性、功能性、可靠性以及成本效益。通過使用銅直接鍵合(DBC)基底的轉(zhuǎn)模封裝，不僅能夠提高功率密度，并且在單一封裝中便可實現(xiàn)三相逆變器、SRM驅(qū)動器和功率因數(shù)校正等各種電路拓撲。本文將從器件、封裝以及系統(tǒng)配置的角度介紹在SPM中實現(xiàn)的尖端技術。

對于服務于家電和低功率工業(yè)市場的公司來說，關注重點越來越多地從制造過程的縱向集成轉(zhuǎn)向核心競爭力的開發(fā)，例如品牌開發(fā)、客戶服務及物流等。將分立功率半導體器件和驅(qū)動器集成進一個封裝中，能夠使這些公司減少在設計上花費的時間和精力，保證其電器產(chǎn)品擁有可靠的功率電子部件。這種集成使這些公司能夠縮短產(chǎn)品上市時間，更快地將創(chuàng)新技術帶給最終用戶。

推動對創(chuàng)新需求的一個動力是長遠的節(jié)能倡議，這些倡議迫使企業(yè)采用逆變器驅(qū)動技術。不同類型的電器使用不同的驅(qū)動解決方案，所以不同類型系統(tǒng)的功率級要求都有所不同，即電路拓撲和功率水平。本文將列出多個實例，將不同的器件成功地集成在一個模塊中以滿足這些變化多樣的需求。

從1999年首次開發(fā)SPM至今，飛兆半導體已經(jīng)成功開發(fā)了多種SPM系列，涵蓋從50W至7kW的消費電器和低功率一般工業(yè)應用。本文將詳細介紹SPM設計概念及其半導體實現(xiàn)方法(功率器件和控制IC)、封裝及系統(tǒng)技術。

功率器件

由于IGBT技術的進步，自從SPM系列首次在工業(yè)市場出現(xiàn)以來，一直不斷地經(jīng)歷著升級。隨著亞微米設計規(guī)則的引入，不僅芯片尺寸減小的速度加快，同時電流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片實現(xiàn)了關斷損耗和導通壓降之間更好的性能平衡關系，同時確保擁有足夠的SOA。圖1表示IGBT技術方面的改進。顯然，V5 IGBT具有出色的器件性能，從而可以在更小的封裝中增大功率容量。

低功耗運作常常需要更快的開關速度，這造成了恢復電流的增加和dv/dt的升高，會帶來較大的電磁干擾(EMI)、高浪涌電壓和電機泄漏電流。在SPM系列的開發(fā)過程中，已經(jīng)考慮了EMI問題，并優(yōu)化了柵極驅(qū)動的設計，犧牲高開關速度以控制集成IGBT的開關速度。正是由于IGBT具有低導通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時實現(xiàn)低EMI特性。圖2所示為SPM的典型dv/dt特性。在其額定電流下，開啟和關斷dv/dt低于5kV/μs。

此外，為了獲得更佳的ESD保護，在柵極和發(fā)射極之間使用了具有足夠的箝位電壓的多硅背靠背二極管。2,350×2,350平方微米的芯片面積能夠獲得HBM 2.5kV和MM 300V的ESD電平。使用集成式保護二極管，所有的SPM產(chǎn)品都達到工業(yè)標準ESD電平。

圖1. SPM制造過程中IGBT的改進

圖2. 開關dv/dt特性(Vpn=300V、Vcc=15V、25度、20A額定電流)

驅(qū)動器IC

由于成本效益的原因，HVIC和LVIC設計為具有最少的必要功能，特別適合于消費電器的逆變器驅(qū)動。設計方面的考慮包括：借助精細工藝技術減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅(qū)動有效的“高電平”接口；低功耗；更高的抗噪聲能力；抗溫度變化的更好穩(wěn)定性等等。

HVIC的一個特性是內(nèi)置高電平偏移功能，如圖3所示，能夠?qū)碜晕⒖刂破鞯?span sizset="71" sizcache="1">PWM輸入直接轉(zhuǎn)換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容，可以采用單一控制電源驅(qū)動SPM。

圖3. 高邊驅(qū)動器配置

另一方面，HVIC對于外部噪聲敏感，因為其信號是通過脈沖信號和SR鎖存器進行轉(zhuǎn)換的。對于這種脈沖驅(qū)動HVIC，高dv/dt開關驅(qū)動IGBT是最危險的開關類型。假設從漏極看LDMOS寄生電容是CM，高邊IGBT的導通dv/dt是dVS/dt，CM必須采用大電流(CM*dVS/dt)充電，才能使LDMOS漏極電壓跟隨快速變化的VB電壓，該電壓通過自舉電容CBS與VS耦合。大充電電流在R1和R2上引起過大的壓降，從而誤觸發(fā)SR鎖存器。

為了克服噪聲敏感性，因此開發(fā)了具有獨特拓撲的噪聲消除器，如圖3所示。V/I轉(zhuǎn)換器將電平變換器的輸出轉(zhuǎn)換成電流信息。對于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉(zhuǎn)換器會給出相同的輸出。但是，對于正常運作，V/I轉(zhuǎn)換器輸出是互不相同的，因為兩個LDMOS中只有一個工作于正常的電平轉(zhuǎn)換器運作狀態(tài)。這樣可以方便地確定V/I轉(zhuǎn)換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出。然后，V/I轉(zhuǎn)換器重建電壓信號，這個信號來自V/I轉(zhuǎn)換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動。最后，經(jīng)放大的信號送到SR鎖存器。

V/I和I/V轉(zhuǎn)換的另一個優(yōu)點是允許負VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨特的拓撲，飛兆半導體的HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴展負電壓運作范圍，在VBS=15V左右達到VS=-10V。

LVIC負責所有的保護功能及其向微控制器的反饋。它的保護電路檢測控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯(lián)電阻的IGBT集電極電流，并在錯誤狀態(tài)中斷IGBT的操作。有關的保護應該不受溫度和電源電壓的影響。例如在表1中給出了LVIC中過電流保護的探測電平。