智能功率模塊(SPM)的技術(shù)水平分析

表1. LVIC (典型值0.5V) 的過電流探測電平

錯誤信號用于通知系統(tǒng)控制器保護功能是否已經(jīng)激活。錯誤信號輸出是在低電平有效的集電極開路配置。它一般通過上拉電阻被拉升至3.3V到15V。當(dāng)錯誤發(fā)生時，錯誤線拉低，低邊IGBT的所有柵極被中斷。如果錯誤是過電流引起的，輸出則出現(xiàn)一個脈沖，然后自動復(fù)位。首選的低信號持續(xù)時間取決于它的應(yīng)用。例如，對于家電首選幾毫秒，但是在工業(yè)應(yīng)用中首選一至兩倍的IGBT開關(guān)頻率。SPM的LVIC提供外部電容，并根據(jù)各種要求設(shè)定該持續(xù)時間。

自舉二極管

除了基本的三相逆變器拓?fù)?，更多的集成是半?dǎo)體公司面臨的挑戰(zhàn)之一。約束不是技術(shù)問題，受限的是成本和封裝尺寸。從這一點來看，自舉二極管似乎成為集成的合適器件。實際上，市場上已出現(xiàn)了數(shù)種內(nèi)置自舉二極管的產(chǎn)品，但是從技術(shù)角度來看，其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上的高壓結(jié)終止區(qū)域作為自舉二極管。其應(yīng)用局限于額定值在100W以下的低功率應(yīng)用，因為這種方式具有較大的正向壓降和較差的動態(tài)特性。功率在400W左右時，采用分立FRD作為自舉二極管，但是由于其封裝尺寸有限，沒有串聯(lián)電阻(RBS)，因此需要對大充電流進行特殊處理，尤其在初始的充電期間。在高于400W的應(yīng)用中，最常見的應(yīng)用是將分立FRD和分立電阻進行組合。這種方式的唯一缺點是占用空間較大和相應(yīng)的成本增高。

在SPM的開發(fā)中，采用了新設(shè)計的自舉二極管，其設(shè)計目標(biāo)是減小芯片尺寸和獲得適中的正向壓降，以得到20Ω串聯(lián)電阻的等效作用。如圖4所示，其壓降特性等同于串聯(lián)電阻和普通FRD。借助于這種特殊自舉二極管的優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的集成同時保持最低的成本。

圖4. 內(nèi)置自舉二極管的正向壓降

封裝

開發(fā)SPM封裝的主要因素是改善性價比，同時提升熱循環(huán)和功率循環(huán)等封裝的可靠性。因此，以往用于IC和LSI產(chǎn)品的轉(zhuǎn)模封裝技術(shù)被用于功率模塊。與具有塑料或環(huán)氧樹脂外殼的普通功率模塊相比，SPM具有相對簡單的結(jié)構(gòu)：功率芯片和IC安裝在銅引線框架上，基底材料與框架連接，最后在環(huán)氧樹脂中模塑成型。

在封裝設(shè)計中散熱是重要的問題，因為它決定了模塊的功率容量限制，且與隔離特性有著很大的折衷平衡關(guān)系。轉(zhuǎn)模封裝SPM系列根據(jù)功率額定值和應(yīng)用，采用幾種隔離基底，如表2所示。

表2. SPM系列的封裝基底

借助現(xiàn)有的可變形基底的優(yōu)點，可在Mini-DIP SPM封裝中實現(xiàn)600V 3A到30A的功率額定值，同時保持PCB管腳布局和價格的競爭力，如圖5所示。

圖5. 不同電流額定值下SPM產(chǎn)品系列的結(jié)和外殼之間的熱阻

除了更高的可靠性和熱性能之外，制定模式的靈活性是DBC(直接相連銅)基底的另一個優(yōu)點。這樣可以針對多種應(yīng)用提供派生產(chǎn)品，比如功率因數(shù)校正、開關(guān)磁阻電機等，在此只需改變DBC，而其它封裝要素保持不變。

DBC的大批量生產(chǎn)還存在幾個有待解決的技術(shù)問題，采用絲網(wǎng)印刷、多芯片安裝技術(shù)以及傳送帶回流焊和助焊劑清理工藝，開發(fā)DBC基底和引線框架的多芯片安裝和連接技術(shù)。通過回流焊溫度曲線調(diào)整，獲得接近零的焊接空洞，增加熔解區(qū)域之間的溫度斜坡，優(yōu)化焊料和絲網(wǎng)印刷掩模設(shè)計。通過模擬和實驗方法，調(diào)適封裝的熱翹曲以優(yōu)化DBC基底的銅層厚度。

結(jié)論

受到成本因素的約束，SPM設(shè)計所需的綜合技術(shù)包括功率器件、驅(qū)動器IC、封裝以及系統(tǒng)優(yōu)化。對于實際的批量生產(chǎn)，組裝和測試也是非常重要的。目前，SPM已將自身定位于最強大的低功率電機驅(qū)動逆變器解決方案，而其發(fā)展將會越來越快。