更高效電機(jī)驅(qū)動的基本挑戰(zhàn)和解決方案

解決方案3：功率半導(dǎo)體器件支持

　　功率電子設(shè)計(jì)中一個(gè)經(jīng)常討論的話題是功率模塊和分立功率半導(dǎo)體之間的選擇。有人可能會認(rèn)為使用分立器件的歷史習(xí)慣、物理布局的靈活性以及各個(gè)功率半導(dǎo)體廠家提供的廣泛可用部件都是致使功率模塊與分立器件之間爭論不休的因素。此外，從既定分立功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)換到功率模塊需要額外的客戶研發(fā)工作。這個(gè)選擇從來都不容易，也不明顯。需要考慮的3個(gè)關(guān)鍵因素和對應(yīng)的產(chǎn)物：

(1)電池/總線互聯(lián)、功率級，和電機(jī)

　　● 效率;

　　● EMI/EMC。

(2)熱堆疊設(shè)計(jì)

　　● PCB 元件到散熱片熱阻;

　　● 可靠性、成本和產(chǎn)量。

(3)空間限制

　　僅僅為了降低成本而替換有效的分立解決方案，從而追求模塊解決方案，通常不是一個(gè)好主意。若分立器件不能滿足五個(gè)要求中的一個(gè)或多個(gè)要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個(gè)要求是：(1)可靠性;(2)結(jié)構(gòu)緊湊;(3)電氣性能;(4)增值互聯(lián);(5)熱性能。

　　在電氣、機(jī)械和熱領(lǐng)域的交互方面出現(xiàn)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。包括從直流電源到逆變功率級的高電流或低寄生效應(yīng)互聯(lián)，逆變器與電機(jī)之間的高電流接口，從逆變器到支架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定機(jī)械互聯(lián)，以及逆變功率器件和冷卻劑之間的高效熱互聯(lián)。冷卻劑或散熱器通常僅僅是熱空氣或高溫金屬。合適的功率模塊有助于解決這些挑戰(zhàn)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)各個(gè)因素與剛才強(qiáng)調(diào)的要求之間的平衡。

　　對于三相ACIM和BLDC變頻驅(qū)動，存在六個(gè)驅(qū)動三個(gè)電機(jī)相位的晶體管。大多數(shù)線路電壓總線控制是 IGBT，因?yàn)楫?dāng)線路電壓、功率需求和工作溫度上升時(shí)，IGBT具有卓越的傳導(dǎo)性能。線路電壓總線輸入和變頻驅(qū)動器通常需要功率因數(shù)校正(PFC) 級，以便最大化來自電網(wǎng)的功率級。在較低電壓如12V至48V電池/總線電壓下，MOSFET為首選并且是可行的，因?yàn)槠鋫鲗?dǎo)和開關(guān)性能通常超過 IGBT。從逆變器電路到電機(jī)的理想功率波形可以顯著提高效率。

設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的電氣挑戰(zhàn)

　　變頻的主要功能是產(chǎn)生可變電壓和可變頻率交流功率，用于驅(qū)動必須體現(xiàn)卓越機(jī)電性能(包括高效率)的電機(jī)。12V的總線可能需要六個(gè)40V額定MOSFET(典型裸片Rds(on)為1.15 mΩ)，才能實(shí)現(xiàn)高電流和高效率運(yùn)行?；蛘呔€路電壓總線和高電流應(yīng)用可能需要并聯(lián)的多個(gè)分立IGBT。根據(jù)特定的靜態(tài)和動態(tài)驅(qū)動特性來篩選IGBT成為生產(chǎn)之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實(shí)現(xiàn)均流控制。若沒有匹配的IGBT，當(dāng)在高電流應(yīng)用中每個(gè)開關(guān)并聯(lián)多個(gè)部件時(shí)，可能出現(xiàn)不想要的熱應(yīng)力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔(dān)匹配IGBT的責(zé)任，讓最終用戶無需擔(dān)憂。模塊中集成了從電池到地的RC緩沖電路，緊密耦合到MOSFET橋以改進(jìn)EMI性能。 還包括用于電流感測的精密電流檢測電阻，可提供電流反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和過流保護(hù)。 另外，還有一個(gè)溫度感測 NTC，用于監(jiān)控變頻器的發(fā)熱情況。

　　模塊通常直接安裝至電機(jī)外殼表面，允許控制PC僅沿模塊一側(cè)連接至信號引腳(圖2)。 分隔到模塊對面的電源引線允許完全隔離控制和電源接口，以便PCB上無需存在高電流引線，從而簡化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。傳熱式直接敷銅(DBC)結(jié)構(gòu)在安裝表面和電氣有源組件之間提供2500 Vrms電氣隔離。

　　由于電源連接位于模塊一側(cè)并且與控制PCB隔離，設(shè)計(jì)具有非常低電感的電源連接就成為可能，從而為 MOSFET的直流連接濾波和BVDSS的設(shè)計(jì)留出額外裕量。類似地，由于模塊內(nèi)包含所有高電流傳導(dǎo)路徑，從 VBAT+到GND產(chǎn)生的極低總電阻有助于提高系統(tǒng)效率，允許提高總線電壓利用率，并最大化電機(jī)端子可用的電壓。 這樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)就享有成本優(yōu)勢。

　　模塊內(nèi)部的MOSFET裸片可能位于緊密集成的RC濾波器元件附近，以便進(jìn)行高效的EMI抑制，減少電壓瞬變，并以最小的損耗順利實(shí)現(xiàn)開關(guān)過渡。

設(shè)計(jì)分立器件與模塊時(shí)遇到的機(jī)械挑戰(zhàn)

　　在采用分立包裝元件開發(fā)的變頻器中，比如TO-247、TO-263 (D2PAK) 或MO-299封裝，存在必須由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理的更多機(jī)械接口。 包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，還可能由散熱片至下一級組件。 這些機(jī)械接口與系統(tǒng)的熱性能有密切聯(lián)系。在模塊解決方案中，大多數(shù)接口都包含到功率模塊結(jié)構(gòu)中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員處理。 遵照 Fairchild對表面平滑度和安裝螺釘扭矩(或夾合力)的建議，可在變頻器生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)卓越的熱性能和振動性能。圖3顯示眾多通過安裝模塊滿足熱性能和振動性能例子中的一個(gè)。正確的安裝方法還能夠擴(kuò)展產(chǎn)品的功率容量^[3]。

設(shè)計(jì)分立模塊時(shí)影響可靠性的熱挑戰(zhàn)

　　與安裝在PCB或IMS上的六個(gè)或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過使用功率模塊的簡化機(jī)械接口設(shè)計(jì)可獲得極好的熱性能。 為了舉例說明，圖4顯示Fairchild FTCO3V455A1 模塊所有六個(gè)MOSFET的結(jié)至殼以及典型結(jié)至散熱片瞬態(tài)熱阻^[7]。 結(jié)至散熱片的熱阻假設(shè)為采用30微米膠層厚度，系數(shù)為2.1 W/(m-K)的導(dǎo)熱材料。

　　采用這種從散熱片到硅的簡單堆疊，出色的熱性能使得整個(gè)變頻器可采用高功率密度的封裝。 AP的尺寸修剪為29 mm x 44 mm x 5 mm，可構(gòu)成約400 mL總?cè)萘康臉O緊湊變頻組件，包括繼電器、直流連接濾波器元件、控制PCB、散熱片和連接器。 工作條件下的功率循環(huán)和紋波溫度分析最終明確了使用電源時(shí)所需的封裝和焊線應(yīng)力^[4]。

總結(jié)

　　將幾十年的線路驅(qū)動交流電機(jī)替代為變頻驅(qū)動的高效電機(jī)是一個(gè)節(jié)能的、對環(huán)境負(fù)責(zé)的趨勢，由功率半導(dǎo)體器件和現(xiàn)代機(jī)器控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用模塊的低成本解決方案順應(yīng)需要和挑戰(zhàn)，滿足環(huán)保、法規(guī)和客戶需求。汽車和商用/工業(yè)電機(jī)行業(yè)都在尋求替代能源并創(chuàng)建更高效系統(tǒng)，從而減少傳統(tǒng)能耗并降低CO2排放率。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]IEA世界能源展望

　　[2]Han S.擴(kuò)展功率模塊的功率范圍[R/OL].Fairchild網(wǎng)站[2014-12-12]. http://blog.fairchildsemi.com/2014/attach-heatsink-spm-5-package/#.VGBak_nF-So

　　[3]FTCO3V455A1 3-Phase Inverter Automotive Power Module[R/OL].https://www.fairchildsemi.com/application-notes/AN/AN-4160.pdf

　　[4]Motion Control Design Tool[R/OL].https://www.fairchildsemi.com/design/design-tools/motion-control-design-tool/