適用于三相電機驅動的智能功率模塊設計實用指南

本文旨在為 SPM 31 v2 系列功率模塊設計提供實用指南，該系列智能功率模塊 (IPM) 適用于三相電機驅動，包含三相變頻段、柵極驅動器等。

設計構思

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動高壓集成電路 (HVIC)、基于先進硅技術的新型絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，以及基于壓鑄模封裝的改進型直接鍵合銅 (DBC) 襯底。與現有的分立方案相比，SPM 31 v2 的電路板尺寸更小，可靠性更高。其目標應用為工業變頻電機驅動，例如商用空調、通用變頻器和伺服電機。SPM 31 v2 產品通過 LVIC 實現了溫度感測功能，系統可靠性更高。我們提供了與模塊中 LVIC 溫度成比例的模擬電壓，以便監測模塊溫度并針對過溫情況提供必要的保護。圖 1 所示為封裝外形結構。

圖1.SPM 31 v2的外觀和內部結構

關鍵特性

● 1200V/15、25、35A、三相FS7 IGBT變頻器，包括用于柵極驅動和保護的控制IC

● 采用DBC襯底，熱阻非常低

● 內置自舉電路，PCB布局更簡單

● 采用開放式發射極配置，可輕松監測每個相位的電流感測

● 通過內置HVIC和自舉操作，實現單點接地電源供電

● 利用LVIC實現了內置溫度感測功能

● 隔離等級達到2500Vrms/min。

產品說明

● 訂購信息

圖2.訂購信息

● 產品系列

表 1 展示了 SPM31 v2 產品系列，其中未包含封裝差異。建議使用在線仿真工具運動控制設計工具來找到適合目標應用的產品。封裝圖請參考封裝外形一章。

表 1.產品系列

1.上述額定功率是根據特定操作條件仿真得出的結果，因此可能會隨操作條件的變化而改變。

2.正在開發。

● 內部電路圖

三個自舉電路產生驅動高邊 IGBT 所需的電壓。自舉二極管是HVIC的內部部件，高邊 IGBT 的驅動電壓通過自舉電路從VDD (15V) 獲取。針對高邊驅動信號提供了一個內部電平轉換電路，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電平驅動，無需使用光耦合器進行外部隔離LVIC溫度感測信號通過VTS引腳輸出。

圖3.內部等效電路圖

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 ( ) 的引腳為內部連接虛擬引腳。這些引腳應保持未連接。

● 引腳詳細定義及注意事項

引腳：VB(U)?VS(U)、VB(V)?VS(V)、VB(W)?VS(W)

◎ 用于驅動 IGBT 的高邊偏置電壓引腳和用于驅動 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。

◎ 這些引腳是驅動電源引腳，用于向高邊 IGBT 提供柵極驅動電源。

◎ 自舉電路方案的優勢在于高邊 IGBT 無需外部電源。

◎ 各個自舉電容器在相應的低邊 IGBT 和二極管處于導通狀態期間，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，應該在這些引腳附近安裝優質（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。

◎ 這些引腳是內置 IC 的控制電源引腳。

◎ 這四個引腳應外接。

◎ 為了避免電源電壓中的噪聲和紋波引起故障，應該在這些引腳附近安裝優質（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置 IGBT 的操作。

◎ 這些引腳由電壓輸入信號激活，而端子內部連接到一個由 5V 級 CMOS 組成的施密特觸發器電路。

◎ 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，與這些引腳關聯的 IGBT 將導通。

◎ 為保護 SPM 31 v2 產品免受噪聲影響，每個輸入的布線應盡可能短。

◎ 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接地引腳 VSS 之間。

◎ 應根據與特定應用匹配的檢測水平來選擇分流電阻器。

◎ 為消除噪聲，應在 CIN 引腳上連接 RC 濾波器。

◎ 應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 產品處于故障狀態時，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 (OCP) 或低壓側偏置欠壓閉鎖 (UVLO) 操作。

◎ VFO 輸出為開漏配置。VFO 信號線路應通過約 10 kΩ 電阻上拉至 5 V 邏輯電源。

引腳：CFOD

◎ 用于故障輸出持續時間控制的輸入引腳

◎ 故障輸出的持續時間取決于 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 本身會產生一定的功率損耗，但主要是 IGBT 產生的熱量會導致 LVIC 的溫度升高。

◎ VTS 與溫度間的關系特性如圖 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

◎ 負直流鏈路引腳。

◎ 這些引腳是變頻器的直流負電源引腳（電源接地）。

◎ 這些引腳連接到每相的低邊IGBT發射極。

◎ 這些引腳用于連接一個或三個分流電阻器進行電流感測。

引腳：U、V、W

◎ 變頻器電源輸出引腳。

◎ 變頻器輸出引腳，用于連接變頻器負載（例如電機）。

封裝

● 封裝結構

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重要。在散熱特性、封裝尺寸和隔離特性之間需要進行一些權衡取舍。出色的封裝技術關鍵在于保持出色的散熱特性，同時優化封裝尺寸，而又不影響隔離等級。

SPM 31 v2采用DBC襯底技術，具有非常出色的散熱特性，從而能夠實現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的封裝結構和橫截面

封裝外形

圖7.封裝外形

 產品簡介

本節重點介紹絕對最大額定值、電氣特性、推薦工作條件和機械特性。各產品的詳細說明請參閱相應的產品手冊。

● 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，開關操作時會產生浪涌電壓。

5. 計算值考慮了設計因素。

● 熱阻

（除非另有說明，否則 Tj＝25°C）

6.外殼溫度(Tc)的測量點請參見圖8。

圖8.外殼溫度(Tc)檢測點

● 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”所示的產品參數性能是在所列的測試條件下獲得的。如在不同條件下運行，產品性能可能與“電氣特性”中所示不同。

性能通過設計和/或 Tj＝Ta＝25°C 條件下的表征測試，在所示的工作溫度范圍內得到保證。測試過程中采用了低占空比脈沖技術，從而保持結溫盡量接近環境溫度。這些值基于設計和/或表征測試結果。

7.ton 和 toff 包括內部驅動 IC 的傳播延遲時間。tc(on) 和 tc(off) 是內部給定柵極驅動條件下 IGBT 本身的開關時間。詳細信息請參見圖9。

8.短路電流保護僅在低邊起作用。

9.根據以下近似方程，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，不能自動關斷 IGBT。

圖9.開關評估電路和開關時間定義

● 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力可能會影響器件的可靠性。

散熱器的平整度容差應在 ?50 μm 至 +100 μm 范圍內。

11.允許輸出電流值是本產品安全運行的參考數據。這可能與實際應用和操作條件有所不同。

12.如果輸入脈沖寬度小于推薦值，產品可能不會響應。

● 機械特性