適用于三相電機(jī)驅(qū)動的智能功率模塊設(shè)計實(shí)用指南
本文旨在為 SPM 31 v2 系列功率模塊設(shè)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(jī)驅(qū)動,包含三相變頻段、柵極驅(qū)動器等。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202405/458368.htm設(shè)計構(gòu)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(qū)動高壓集成電路 (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(xiàn)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(biāo)應(yīng)用為工業(yè)變頻電機(jī)驅(qū)動,例如商用空調(diào)、通用變頻器和伺服電機(jī)。SPM 31 v2 產(chǎn)品通過 LVIC 實(shí)現(xiàn)了溫度感測功能,系統(tǒng)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(jiān)測模塊溫度并針對過溫情況提供必要的保護(hù)。圖 1 所示為封裝外形結(jié)構(gòu)。
圖1.SPM 31 v2的外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)
關(guān)鍵特性
● 1200V/15、25、35A、三相FS7 IGBT變頻器,包括用于柵極驅(qū)動和保護(hù)的控制IC
● 采用DBC襯底,熱阻非常低
● 內(nèi)置自舉電路,PCB布局更簡單
● 采用開放式發(fā)射極配置,可輕松監(jiān)測每個相位的電流感測
● 通過內(nèi)置HVIC和自舉操作,實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地電源供電
● 利用LVIC實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置溫度感測功能
● 隔離等級達(dá)到2500Vrms/min。
產(chǎn)品說明
● 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。建議使用在線仿真工具運(yùn)動控制設(shè)計工具來找到適合目標(biāo)應(yīng)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(jù)特定操作條件仿真得出的結(jié)果,因此可能會隨操作條件的變化而改變。
2.正在開發(fā)。
● 內(nèi)部電路圖
三個自舉電路產(chǎn)生驅(qū)動高邊 IGBT 所需的電壓。自舉二極管是HVIC的內(nèi)部部件,高邊 IGBT 的驅(qū)動電壓通過自舉電路從VDD (15V) 獲取。針對高邊驅(qū)動信號提供了一個內(nèi)部電平轉(zhuǎn)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(qū)動,無需使用光耦合器進(jìn)行外部隔離LVIC溫度感測信號通過VTS引腳輸出。
圖3.內(nèi)部等效電路圖
圖4.封裝頂視圖和引腳分配
表2.編號、名稱和虛擬引腳
3. 帶 ( ) 的引腳為內(nèi)部連接虛擬引腳。這些引腳應(yīng)保持未連接。
● 引腳詳細(xì)定義及注意事項(xiàng)
引腳:VB(U)?VS(U)、VB(V)?VS(V)、VB(W)?VS(W)
◎ 用于驅(qū)動 IGBT 的高邊偏置電壓引腳和用于驅(qū)動 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(qū)動電源引腳,用于向高邊 IGBT 提供柵極驅(qū)動電源。
◎ 自舉電路方案的優(yōu)勢在于高邊 IGBT 無需外部電源。
◎ 各個自舉電容器在相應(yīng)的低邊 IGBT 和二極管處于導(dǎo)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(yīng)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(nèi)置 IC 的控制電源引腳。
◎ 這四個引腳應(yīng)外接。
◎ 為了避免電源電壓中的噪聲和紋波引起故障,應(yīng)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(nèi)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(yīng)流過該引腳。
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(nèi)置 IGBT 的操作。
◎ 這些引腳由電壓輸入信號激活,而端子內(nèi)部連接到一個由 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,與這些引腳關(guān)聯(lián)的 IGBT 將導(dǎo)通。
◎ 為保護(hù) SPM 31 v2 產(chǎn)品免受噪聲影響,每個輸入的布線應(yīng)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
◎ 過流和短路檢測輸入引腳。
◎ 要檢測過流或短路電流,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(cè)接地引腳 VSS 之間。
◎ 應(yīng)根據(jù)與特定應(yīng)用匹配的檢測水平來選擇分流電阻器。
◎ 為消除噪聲,應(yīng)在 CIN 引腳上連接 RC 濾波器。
◎ 應(yīng)盡量縮短分流電阻器與 CIN 引腳之間的連接長度。
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,該引腳會輸出一個低電平有效信號。
◎ 報警條件包括過流保護(hù) (OCP) 或低壓側(cè)偏置欠壓閉鎖 (UVLO) 操作。
◎ VFO 輸出為開漏配置。VFO 信號線路應(yīng)通過約 10 kΩ 電阻上拉至 5 V 邏輯電源。
引腳:CFOD
◎ 用于故障輸出持續(xù)時間控制的輸入引腳
◎ 故障輸出的持續(xù)時間取決于 CFOD 和 VSS 引腳之間的電容。
引腳:VTS
◎ 模擬溫度感測輸出引腳。
◎ 這個引腳用于通過模擬電壓指示 LVIC 的溫度。LVIC 本身會產(chǎn)生一定的功率損耗,但主要是 IGBT 產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)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(nèi)部連接到高邊IGBT的集電極。
◎ 為了抑制由直流鏈路布線或PCB布線電感引起的浪涌電壓,需要在該引腳附近連接一個平滑濾波電容器(提示:通常使用金屬薄膜電容器)。
引腳:NU、NV、NW
◎ 負(fù)直流鏈路引腳。
◎ 這些引腳是變頻器的直流負(fù)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或三個分流電阻器進(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(fù)載(例如電機(jī))。
封裝
● 封裝結(jié)構(gòu)
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(quán)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?qū)崿F(xiàn)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(jié)構(gòu)和橫截面
封裝外形
圖7.封裝外形
產(chǎn)品簡介
本節(jié)重點(diǎn)介紹絕對最大額定值、電氣特性、推薦工作條件和機(jī)械特性。各產(chǎn)品的詳細(xì)說明請參閱相應(yīng)的產(chǎn)品手冊。
● 絕對最大額定值
(除非另有說明,否則 Tj=25°C)
如超過最大額定值表格中列出的應(yīng)力,可能會損壞器件。如超過上述任何限制,就不能假定器件功能正常,這時器件可能會出現(xiàn)損壞且可靠性可能受到影響。
4.由于P和NU、NV、NW端子之間存在走線電感,開關(guān)操作時會產(chǎn)生浪涌電壓。
5. 計算值考慮了設(shè)計因素。
● 熱阻
(除非另有說明,否則 Tj=25°C)
6.外殼溫度(Tc)的測量點(diǎn)請參見圖8。
圖8.外殼溫度(Tc)檢測點(diǎn)
● 電氣特性
(除非另有說明,否則VDD=15V且Tj=25°C)
除非另有說明,否則“電氣特性”所示的產(chǎn)品參數(shù)性能是在所列的測試條件下獲得的。如在不同條件下運(yùn)行,產(chǎn)品性能可能與“電氣特性”中所示不同。
性能通過設(shè)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(nèi)得到保證。測試過程中采用了低占空比脈沖技術(shù),從而保持結(jié)溫盡量接近環(huán)境溫度。這些值基于設(shè)計和/或表征測試結(jié)果。
7.ton 和 toff 包括內(nèi)部驅(qū)動 IC 的傳播延遲時間。tc(on) 和 tc(off) 是內(nèi)部給定柵極驅(qū)動條件下 IGBT 本身的開關(guān)時間。詳細(xì)信息請參見圖9。
8.短路電流保護(hù)僅在低邊起作用。
9.根據(jù)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,不能自動關(guān)斷 IGBT。
圖9.開關(guān)評估電路和開關(guān)時間定義
● 推薦工作條件
(基于 NFAM3512L7B)
不建議在超過推薦工作范圍中所列應(yīng)力的情況下操作器件。長期承受超出推薦工作范圍限值的應(yīng)力可能會影響器件的可靠性。
散熱器的平整度容差應(yīng)在 ?50 μm 至 +100 μm 范圍內(nèi)。
11.允許輸出電流值是本產(chǎn)品安全運(yùn)行的參考數(shù)據(jù)。這可能與實(shí)際應(yīng)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)品可能不會響應(yīng)。
● 機(jī)械特性
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