智能功率模塊用于汽車高壓輔助電機負載應用

作者 Thomas Yim 安森美半導體高級經理

摘要：集成的智能功率模塊(IPM)將在汽車功能電子化中發揮關鍵作用，促成新一代緊湊的、高能效和高可靠性的電機驅動器，實現在內燃機中省去耗能的機械式驅動負荷。IPM的主要促成元素有場截止溝槽IGBT、STEALTH 二極管、HVIC、LVIC和DBC技術等。

提升燃油經濟性

　　汽車法規的當前趨勢是刺激對每英里產生更少CO2的更經濟車輛的需求。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，如歐盟的車隊平均排放指令，懲罰不提供燃油經濟性的汽車品牌。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汽車就支付過量排放費。到2021年CO2的限制將減少到95克/公里，CO2減排法規將提前不斷加強。

　　汽車制造商為實現更高燃油能效的戰略的重要一環是由電動驅動取代傳統由發動機驅動的主要子系統。這包括水泵、油泵、空調、渦輪增壓器和動力轉向。這有效地減少了發動機上的機械負荷，令更多的能量通過燃燒燃油釋放出來，用于驅動車輛。以電裝置取代機械馬達負載(如泵、風扇、壓縮機)可減少燃油消耗高達3%至5%。

　　汽車行業期望確保電氣系統更換盡可能高效，因為車輛的電能由電池供電，電池本身通過發動機驅動發電機充電。新的電氣負載不應需求過多的電力，也應設計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濟性。另一個關注的問題是越來越多的電動驅動系統對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，以防止線束變得過大和沉重。

　　為電氣系統的更換設計大功率電機驅動器，在幫助汽車制造商實現他們在能效、物理尺寸和亮度的目標方面有重大影響。

利用現有的設計專知

　　汽車行業可以吸取以往在其它領域獲得的驅動設計經驗。例如，在家用電器市場，多年來對高能效電機驅動的需求極為重要。有助于比較不同設備能效等級的產品標簽計劃，令消費者注重能效和促成知情購買決策，可以減少總的CO2排放量，有助于減少個人公用事業費。

　　為達到最佳的能效等級，白色家電和工業應用，包括大功率電機(0.5kW~10kW)，如洗衣機、伺服驅動器、工業泵在以節能可變速變頻驅動器更換低成本簡單的單速驅動。隨著這些驅動器的成本降低，功率半導體技術的進步和知識產權(如磁場定向控制(FOC)固件)的成熟，采用可變速驅動的電器已逐漸從高端設備過渡到主流產品范圍。在發達國家的許多房主現在可以享有他們家電的變速驅動的優勢，這不僅包括較低的設備運行成本，還包括更安靜的運行和更靈活的使用模式。

　　安靜及高能效的電機驅動器對汽車行業將是額外的吸引力。隨著內燃機日益向電驅動模式和啟停(微型混合)模式發展的趨勢，傳統的發動機噪聲正在逐步從汽車車艙消除。由于客艙更安靜，其他機制如電動機也必須更小聲，以確保盡可能最佳的終端用戶體驗。

　　此外，變速控制可調節油和冷卻劑的流速，以滿足發動機在寬范圍工作條件的需要。如果發動機已高速運行，然而此時交通堵塞，要求發動機空轉，同時傳統的水泵要慢下來。電子控制的變速泵可以通過編程以在發動機內的熱條件以理想的速率移動冷卻液，也可以在發動機關閉后繼續運行，以優化發動機的冷卻曲線。

電源模塊的集成

　　變頻驅動比簡單的定速驅動更復雜。它們包含一個運行FOC算法的控制器、用于驅動電流到電機相的功率晶體管橋所需的高邊和低邊門極驅動器、在三相橋內達6個IGBT或MOSFET和保護電力設備及系統免受潛在的破壞性危害(如浪涌電壓、短路電流和過溫)的保護電路。

　　在控制模塊如電機驅動中更高的功能整合對使制造商在未來的汽車底盤增加所需的額外的電路至關重要。實際上，整合不僅有助于節省空間，而且還可以幫助降低成本，提高可靠性，加快新產品的上市進程。有利的是，在家電行業中獲得的現有的電機驅動設計經驗可以幫助滿足這些要求。

　　家電市場的需求促進智能功率模塊(IPM)的創建，它利用最先進的制造和封裝技術以結合高壓、大功率電路及邏輯電路在同一器件中。

　　IPM在關鍵柵極驅動器和保護電路的同一模塊中集成橋式高壓硅電源。這為電機驅動系統的設計人員提供了幾個優勢。巨大的優勢是，客戶可以實現基于直接鍵合銅(DBC)技術的極低的Tj性能。顯然，它也簡化了功率級的設計，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系統，以及設計保護電路。由于這些任務繁雜，現成的方案是非常有價值的。

　　而且，在單個模塊中集成所有驅動器的功率級電路遠比由分立元件組成的方案省空間。該模塊占位可更小，通常會有一個較低的安裝高度。此外，由于必須被放置和連接的單個元件較少，整體可靠性增加。

滿足汽車應用需求

　　安森美半導體的FAM65V05DF1汽車IPM智能功率模塊的出現標志著新一代汽車認證的(AECQ100/101)集成功率模塊的出現。該模塊包含一個由6個功率開關組成的三相橋，每個功率開關都結合一個650V高能效場截止溝槽短路級IGBT和一個具有軟恢復特性及低反向恢復電流的續流二極管。由于使用高壓總線以較小的橫截面和低重量的電導體的低電流為電負荷配電的行業期待， 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。

　　三個單通道高壓IC(HVIC)控制高邊IGBT的門極，一個三路輸出的低壓IC(LVIC)控制低邊IGBT的門極，如圖3所示。

　　FAM65V05DF1 中的LVIC和HVIC實施個別的欠電壓鎖定(UVLO)電路以保護IGBT，避免以不足的門極驅動電壓工作。過流保護電路在LVIC中實施，提供軟關斷特性，通過衰減門極電壓，而不是突然關斷器件，保護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調熱保護，也集成在LVIC中。此外，該LVIC有故障輸出，可用于激活系統等級保護以實現最佳的可靠性。

　　對于汽車應用，模塊的熱性能非常重要。峰值環境溫度可能非常高，特別是模塊附近或在發動機上，同時必須確保至少在保修期或比保修期稍長的時期內的可靠性。尺寸和成本的限制也必須考慮到。直接鍵合銅(DBC)基板提供具性價比和熱能效的方案。在汽車IPM中，IGBT和續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。

　　把功率半導體、驅動器和保護電路集成到單個模塊，在僅44mmx26mm的占位上實現了一個完整的三相橋和驅動器。相比傳統使用單個汽車認證的元件(分立IGBT+外部三相門極驅動器等)實施的控制器，該方案可以節省30%的PCB空間。

總結

　　隨著提高內燃機能效的重要性不斷加強，高能效集成的高壓電源模塊是提供緊湊的、實惠的和可靠的電氣以替代通常由發動機曲柄驅動的耗能的機械驅動器的關鍵。這些模塊結合功率開關、門極驅動和邏輯電路在單個器件中，如智能功率模塊，類似于已經在當今一些最好的家用電器證實的方案。場截止溝槽IGBT、STEALTH 二極管、HVIC、LVIC和DBC技術是促成新一代汽車IPM的主要促成元素，以滿足汽車行業的能效、可靠性、成本和尺寸的要求。

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