智能功率模塊用于汽車高壓輔助電機(jī)負(fù)載應(yīng)用

作者 Thomas Yim 安森美半導(dǎo)體高級(jí)經(jīng)理

摘要：集成的智能功率模塊(IPM)將在汽車功能電子化中發(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(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)中省去耗能的機(jī)械式驅(qū)動(dòng)負(fù)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(jì)性

　　汽車法規(guī)的當(dāng)前趨勢(shì)是刺激對(duì)每英里產(chǎn)生更少CO2的更經(jīng)濟(jì)車輛的需求。車輛購置稅政策目前支持低污染的車型，汽車制造商必須遵守新的法規(guī)，如歐盟的車隊(duì)平均排放指令，懲罰不提供燃油經(jīng)濟(jì)性的汽車品牌。所有汽車的平均CO2排放量不得超過130克/公里，而不遵守的制造商必須每售出一臺(tái)汽車就支付過量排放費(fèi)。到2021年CO2的限制將減少到95克/公里，CO2減排法規(guī)將提前不斷加強(qiáng)。

　　汽車制造商為實(shí)現(xiàn)更高燃油能效的戰(zhàn)略的重要一環(huán)是由電動(dòng)驅(qū)動(dòng)取代傳統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的主要子系統(tǒng)。這包括水泵、油泵、空調(diào)、渦輪增壓器和動(dòng)力轉(zhuǎn)向。這有效地減少了發(fā)動(dòng)機(jī)上的機(jī)械負(fù)荷，令更多的能量通過燃燒燃油釋放出來，用于驅(qū)動(dòng)車輛。以電裝置取代機(jī)械馬達(dá)負(fù)載(如泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī))可減少燃油消耗高達(dá)3%至5%。

　　汽車行業(yè)期望確保電氣系統(tǒng)更換盡可能高效，因?yàn)檐囕v的電能由電池供電，電池本身通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)充電。新的電氣負(fù)載不應(yīng)需求過多的電力，也應(yīng)設(shè)計(jì)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(jì)性。另一個(gè)關(guān)注的問題是越來越多的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輛線束的大小和重量的影響，汽車制造商需要有效的技術(shù)，以防止線束變得過大和沉重。

　　為電氣系統(tǒng)的更換設(shè)計(jì)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在幫助汽車制造商實(shí)現(xiàn)他們?cè)谀苄?、物理尺寸和亮度的目?biāo)方面有重大影響。

利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)專知

　　汽車行業(yè)可以吸取以往在其它領(lǐng)域獲得的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。例如，在家用電器市場(chǎng)，多年來對(duì)高能效電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求極為重要。有助于比較不同設(shè)備能效等級(jí)的產(chǎn)品標(biāo)簽計(jì)劃，令消費(fèi)者注重能效和促成知情購買決策，可以減少總的CO2排放量，有助于減少個(gè)人公用事業(yè)費(fèi)。

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

　　安靜及高能效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)汽車行業(yè)將是額外的吸引力。隨著內(nèi)燃機(jī)日益向電驅(qū)動(dòng)模式和啟停(微型混合)模式發(fā)展的趨勢(shì)，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲正在逐步從汽車車艙消除。由于客艙更安靜，其他機(jī)制如電動(dòng)機(jī)也必須更小聲，以確保盡可能最佳的終端用戶體驗(yàn)。

　　此外，變速控制可調(diào)節(jié)油和冷卻劑的流速，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在寬范圍工作條件的需要。如果發(fā)動(dòng)機(jī)已高速運(yùn)行，然而此時(shí)交通堵塞，要求發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，同時(shí)傳統(tǒng)的水泵要慢下來。電子控制的變速泵可以通過編程以在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)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(jī)關(guān)閉后繼續(xù)運(yùn)行，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻曲線。

電源模塊的集成

　　變頻驅(qū)動(dòng)比簡(jiǎn)單的定速驅(qū)動(dòng)更復(fù)雜。它們包含一個(gè)運(yùn)行FOC算法的控制器、用于驅(qū)動(dòng)電流到電機(jī)相的功率晶體管橋所需的高邊和低邊門極驅(qū)動(dòng)器、在三相橋內(nèi)達(dá)6個(gè)IGBT或MOSFET和保護(hù)電力設(shè)備及系統(tǒng)免受潛在的破壞性危害(如浪涌電壓、短路電流和過溫)的保護(hù)電路。

　　在控制模塊如電機(jī)驅(qū)動(dòng)中更高的功能整合對(duì)使制造商在未來的汽車底盤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(jié)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(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以幫助滿足這些要求。

　　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(jié)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(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路的同一模塊中集成橋式高壓硅電源。這為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。巨大的優(yōu)勢(shì)是，客戶可以實(shí)現(xiàn)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(jí)的設(shè)計(jì)，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(tǒng)，以及設(shè)計(jì)保護(hù)電路。由于這些任務(wù)繁雜，現(xiàn)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(qū)動(dòng)器的功率級(jí)電路遠(yuǎn)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。

滿足汽車應(yīng)用需求

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

　　三個(gè)單通道高壓IC(HVIC)控制高邊IGBT的門極，一個(gè)三路輸出的低壓IC(LVIC)控制低邊IGBT的門極，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(hù)IGBT，避免以不足的門極驅(qū)動(dòng)電壓工作。過流保護(hù)電路在LVIC中實(shí)施，提供軟關(guān)斷特性，通過衰減門極電壓，而不是突然關(guān)斷器件，保護(hù)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(diào)熱保護(hù)，也集成在LVIC中。此外，該LVIC有故障輸出，可用于激活系統(tǒng)等級(jí)保護(hù)以實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性。

　　對(duì)于汽車應(yīng)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(jī)上，同時(shí)必須確保至少在保修期或比保修期稍長的時(shí)期內(nèi)的可靠性。尺寸和成本的限制也必須考慮到。直接鍵合銅(DBC)基板提供具性價(jià)比和熱能效的方案。在汽車IPM中，IGBT和續(xù)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(dǎo)體、驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)電路集成到單個(gè)模塊，在僅44mmx26mm的占位上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的三相橋和驅(qū)動(dòng)器。相比傳統(tǒng)使用單個(gè)汽車認(rèn)證的元件(分立IGBT+外部三相門極驅(qū)動(dòng)器等)實(shí)施的控制器，該方案可以節(jié)省30%的PCB空間。

總結(jié)

　　隨著提高內(nèi)燃機(jī)能效的重要性不斷加強(qiáng)，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(jī)曲柄驅(qū)動(dòng)的耗能的機(jī)械驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵。這些模塊結(jié)合功率開關(guān)、門極驅(qū)動(dòng)和邏輯電路在單個(gè)器件中，如智能功率模塊，類似于已經(jīng)在當(dāng)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IPM的主要促成元素，以滿足汽車行業(yè)的能效、可靠性、成本和尺寸的要求。

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