使用智能功率模塊實(shí)現(xiàn)車(chē)載電氣控制系統(tǒng)

日益嚴(yán)格的燃油能效法規(guī)和人們對(duì)環(huán)境影響日益增加的擔(dān)憂，意味著車(chē)內(nèi)機(jī)械系統(tǒng)正由電氣替代品所取代。這支持提供更高程度的能效和工作性能。例如，直流電機(jī)的使用在車(chē)載控制系統(tǒng)(除主電機(jī)外)的設(shè)計(jì)中越來(lái)越普遍，以便減輕汽車(chē)總重量，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。就動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，從液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變?yōu)殡姎庀到y(tǒng)，可提高3%-5%的燃油能效水平。

對(duì)車(chē)載系統(tǒng)，無(wú)刷直流(BLDC)電機(jī)正看到更廣泛的激增，因?yàn)樗鼈兲峁┹^有刷和換向器的傳統(tǒng)直流電機(jī)高得多的可靠性。BLDC電機(jī)不僅被整合至汽車(chē)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)中，還被整合至水泵、油泵、燃油泵、散熱風(fēng)扇、暖通空調(diào)(HVAC)、座椅風(fēng)扇等。

車(chē)載電機(jī)控制的要求及考慮因素

車(chē)載電機(jī)控制電路的關(guān)鍵要求是高溫工作。在150℃的環(huán)境溫度(Ta)和170℃的結(jié)溫(Tj)下的工作能力是極其重要的。整個(gè)控制電路在嚴(yán)苛環(huán)境中的高可靠性也是需要的。需要使用的分立元件越多，線路板就必須越大，隨著焊接工作量越來(lái)越多，在可靠性降低和重量增加的同時(shí)，也在采取減少發(fā)熱和總成本的措施時(shí)造成困難。降低噪聲如電磁干擾(EMI)也很重要。

如已概述的，BLDC電機(jī)在能效、可維護(hù)性、使用時(shí)間和安全方面優(yōu)于有刷電機(jī)，但也有更重和更高成本的缺點(diǎn)(因?yàn)锽LDC電機(jī)包含外部控制電路，需要更大的安裝空間)。因此，在要充分利用BLDC電機(jī)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又要減小系統(tǒng)總尺寸和重量、降低成本、增強(qiáng)可靠性、減少發(fā)熱、降低噪聲時(shí)存在挑戰(zhàn)。

智能功率模塊用于車(chē)載裝置

集成先進(jìn)的功率半導(dǎo)體和外圍元件是減小尺寸和重量的一種非常有效的方法，以解決當(dāng)指定BLDC電機(jī)用于車(chē)載應(yīng)用時(shí)所面臨的問(wèn)題。不同技術(shù)和不同形狀的半導(dǎo)體元件貼裝在絕緣基板上并電性連接。這種集成有多種形式：從由多個(gè)功率器件(如功率MOSFET和IGBT)組成的簡(jiǎn)單的功率模塊，到整合功率器件、驅(qū)動(dòng)電路(預(yù)驅(qū)動(dòng)器)、保護(hù)電路等等的智能功率模塊(IPM)。

通常有兩種用于電源模塊基板的材料。這些都是適用于大功率的陶瓷基材料和金屬基材料(如鋁)。由于陶瓷基板與金屬片相連(如銅和鋁)，大型基板的加工是困難的并有所局限性，而集成可實(shí)現(xiàn)。金屬基絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)成為解決這問(wèn)題的方法。IMST是減小尺寸和重量的一種有效方法，將不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體元件及無(wú)源器件和其它部分集成到單個(gè)模塊中。IMST結(jié)構(gòu)通過(guò)使用絕緣層覆蓋鋁片，將銅箔置于頂層，并在銅箔上蝕刻，使單層布線圖案能被自由定制。鋁線用作晶體管或IC/LSI裸芯片和銅箔圖案之間的電性連接(即超聲波粘合)。較厚的銅箔圖案用于大電流應(yīng)用，較薄的圖案用于小電流。鋁線的直徑基于流經(jīng)的額定電流和使用這些導(dǎo)線的目的(例如是用作跳線還是接地線)。當(dāng)?shù)蜔犭娮鑳?yōu)先時(shí)絕緣層做得更薄一些，當(dāng)高壓重要時(shí)絕緣層做得更厚一些。因?yàn)榛迨卿X， 導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性本質(zhì)上是很高的。這支持處理大量電力，并提供電磁屏蔽效用。


圖1. IMST橫截面

一般的IPM貼裝其組成元件到單獨(dú)的電路板，由于這結(jié)構(gòu)是點(diǎn)和線互聯(lián)的框架，無(wú)法在這框架內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能。但是使用IMST結(jié)構(gòu)，電路搭建在電路板上，可輕易實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能。


圖2.IMST和典型的IPM結(jié)構(gòu)比較

關(guān)于電源模塊或IPM，許多功率半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)相應(yīng)的目標(biāo)應(yīng)用的產(chǎn)品，功率MOSFET/貼裝的分立元件數(shù)或基礎(chǔ)線路板不是一律固定不變的。

用于車(chē)載系統(tǒng)的3相BLDC電機(jī)方案的比較

為減少車(chē)載3相BLDC電機(jī)的系統(tǒng)成本，可使用無(wú)位置檢測(cè)傳感器型(簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)傳感器型)。一般安裝一個(gè)功率MOSFETE和一個(gè)帶微控制器的預(yù)驅(qū)動(dòng)器IC，BLDC電機(jī)由軟件控制。通常平均有170個(gè)元件貼裝在印制線路板上。為替代這種情況，使用一個(gè)高度集成的IPM、一個(gè)使用功率MOSFET的專(zhuān)用控制器、預(yù)驅(qū)動(dòng)器和硬邏輯器件，與自保護(hù)功能(防短路、過(guò)流、控制電源壓降和過(guò)熱)一起可集成到一個(gè)模塊中，從而成為一個(gè)獨(dú)立的單元。有關(guān)噪聲可被降低。而且由于無(wú)需軟件來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可縮短設(shè)計(jì)周期。系統(tǒng)可靠性也顯著提升。


圖3.BLDC電機(jī)驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

一般情況下，3相BLDC電機(jī)比有刷電機(jī)更貴。它們也占用更多空間和更重。高密度IPM采用IMST，節(jié)省空間，系統(tǒng)成本也隨之降低。例如，安森美半導(dǎo)體的獨(dú)立無(wú)傳感器式電機(jī)控制IPM如下圖所示(參見(jiàn)圖4)，包括無(wú)傳感器位置檢測(cè)邏輯和電機(jī)控制IC(序列)、6個(gè)功率MOSFET和外圍元件。它直接對(duì)帶同步整流的PWM控制器作出響應(yīng)。


圖4. 獨(dú)立的無(wú)傳感器式電機(jī)控制IPM框圖

在這特別的IPM示例中，元件數(shù)已從通常所需的170個(gè)以實(shí)現(xiàn)分立結(jié)構(gòu)減至只需5個(gè)。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用IMST能集成各種不同的元件。因此，貼裝重量可減少60%，占板面積減少85%。當(dāng)使用這IPM時(shí)，不再需要印制基板(支持實(shí)現(xiàn)無(wú)PCB)，IPM可置于電機(jī)占用面積范圍內(nèi)。


圖5.使用PCB的分立方案比較無(wú)PCB方案(IPM)

基于IMST的IPM的其它好處

我們注意到基于IMST的IPM的第一大額外好處是它們提供高精度溫度檢測(cè)。對(duì)于分立元件，由于功率晶體管封裝和溫度檢測(cè)電路封裝相距甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致溫度檢測(cè)時(shí)間延遲。使用基于IMST的IPM，由于功率晶體管、提供溫度檢測(cè)的控制電路和保護(hù)電路可貼裝在同一板上。因此在溫度檢測(cè)中將最大限度減小誤差，從而可實(shí)現(xiàn)高精度電路工作。


圖6.溫度檢測(cè)

基于IMST的IPM的第二大好處是降低噪聲。因?yàn)榻档碗姍C(jī)噪聲是車(chē)載系統(tǒng)的一個(gè)重要方面，設(shè)計(jì)工程師需要盡可能降低噪聲。EMI噪聲構(gòu)成設(shè)計(jì)階段的一個(gè)主要問(wèn)題。使用基于IMST的IPM，在金屬基板的鋁片和銅箔之間有一個(gè)分布式電容通過(guò)絕緣樹(shù)脂。這有效地降低功率器件的開(kāi)關(guān)噪聲。其與分立結(jié)構(gòu)的詳細(xì)比較數(shù)據(jù)如圖7 所示。


圖7.開(kāi)關(guān)噪聲比較

此外，由于可減小IMST基板上布線和引線鍵合的寄生電感，通過(guò)抑制在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間當(dāng)高壓大電流器件硬開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的高壓浪涌，可降低噪聲。


圖8.高壓浪涌

第三大好處在于基于金屬的設(shè)計(jì)的出色的散熱性能。此屬性取決于絕緣材料和絕緣層的厚度。較薄的絕緣層可減小熱阻抗。圖9顯示在多個(gè)絕緣金屬基板上的絕緣層厚度和熱阻抗值之間的關(guān)系。


圖9.熱阻抗圖

未來(lái)的發(fā)展

用于當(dāng)今緊湊經(jīng)濟(jì)型汽車(chē)和豪華型汽車(chē)的電機(jī)數(shù)量分別為50-60臺(tái)和100-120臺(tái)，且預(yù)計(jì)在2015年這數(shù)量將超過(guò)每輛車(chē)200臺(tái)。隨著尺寸的減小，重量和成本將因而日益重要，進(jìn)一步的整合將至關(guān)重要。為用于廣泛應(yīng)用，除了僅有預(yù)驅(qū)動(dòng)器的模塊，這里介紹的獨(dú)立的系統(tǒng)級(jí)IPM和無(wú)需開(kāi)發(fā)電機(jī)控制算法的通用平臺(tái)式方案也是需要的。而且隨著大功率EPS的迅速發(fā)展，進(jìn)一步增加配備現(xiàn)有的功率器件和并聯(lián)電阻的功率模塊密度的技術(shù)開(kāi)發(fā)正在進(jìn)行中。對(duì)IPM產(chǎn)品，三大技術(shù)開(kāi)發(fā)是關(guān)鍵；包括基板和絕緣材料的封裝技術(shù)，如引線鍵合的貼裝技術(shù)，和功率半導(dǎo)體及控制電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。