开发适合工业风扇电机应用的全新1 200 V/10 A SPM®智能功率模块

2014-12-10SeungHyunHongKangYoonLeeSangMinParkKiNamSongTaeSungKwonSungIlYong

电子技术应用 2014年12期

关键词：风扇器件损耗

Seung-Hyun Hong，Kang-Yoon Lee，Sang-Min Park，Ki-Nam Song，Tae-Sung Kwon，Sung-Il Yong

电机是家用电器主要的耗能部件。如今，随着政府法规不断强制要求降低能耗，电机驱动应用中的变频驱动技术也越来越受到青睐。适合变频电机驱动应用的功率模块同样也是当今趋势的一部分，这是因为它具有节省空间以及易于装配等优势。

我们全新开发了1 200 V/10 A SPM®2产品的传递模塑封装，其作为高效的集成式解决方案，可专门满足工业风扇电机应用的要求。本文详细介绍集成式IGBT/FWD的设计问题、封装结构、电气特性，以及热性能和可靠性。

1 电路结构和封装设计

1.1 电路结构

全新 1 200 V/10 A SPM®2产品具有 80 mm×33 mm大小的模块。内部电路由高侧的三个1 200 V/10 A NPT沟道IGBT、低侧的三个1 200 V/10 A NPT沟道感测IGBT、六个先进的1 200 V STEALTHTM续流二极管、三个自举二极管、三个1 200 V HVIC、一个多功能 LVIC以及一个热敏电阻组成，如图1所示。所有元器件均专为工业风扇电机应用而全新开发。为避免低侧IGBT的大功率损耗，全新1 200 V/10 A SPM®2产品采用感测IGBT，其具有电流镜发射极，可提供小电流。它无需在低侧IGBT的主发射极上连接检测电阻便能轻松测量过载电流和短路电流。内置的高速三合一HVIC允许使用单电源，无需光耦合器。1 200 V/10 A SPM®2产品提供两个主要的保护功能：控制电源欠压保护和短路电流保护。由于内置的热敏电阻具有过温监控功能，因此它还能提供更高的系统可靠性。除基本的三相变频拓扑之外，内置自举二极管还实现了更高的集成度，为系统电路板设计节省了空间。自举二极管采用阳极开路配置，从而可通过外部自举电阻控制自举电容的初始充电电流。

图1 内部等效电路

1.2 封装设计

1 200 V/10 A SPM®2产品的封装结构由DBC基板、引线框架以及周围的EMC材料组成；功率器件和控制IC便装入这些材料中。功率器件焊接在DBC基板上，每一个控制IC均安装在引线框架上。DBC基板的覆铜表面裸露在外，以便与外部散热器相接触。周围的EMC材料由传递模塑工艺制成，且模塑封装具有螺栓孔，供外部散热器固定时使用，从而增强散热性能。1 200 V/10 A SPM®2产品中全新开发了EMC，可实现200μm的最大器件平坦度以及1.5 N·m的最大安装扭矩。采用1 200 V/10 A SPM®2产品进行设计时，应考虑引脚至散热器的隔离距离。如图2所示，对于受限型散热器而言，引脚至散热器的电气间隙和爬电距离分别是3.80 mm和7.52 mm。凭借这一先进的封装技术可实现紧凑的封装尺寸以及良好的可靠性。

图2 隔离距离

2 性能特性

2.1 IGBT和FWD

1 200 V NPT沟道IGBT和先进的1 200 V STEALTHTM续流二极管专为所有驱动条件下的工业风扇电机应用而优化。

1 200 V/10 A NPT沟道IGBT的典型集电极至发射极电压为 2.0 V(IC=10 A，TJ=25℃)，以及 2.45 V(IC=10 A，TJ=150℃)。该器件设计为具有关断损耗与导通压降之间良好的性能权衡取舍关系、出色的短路SOA特性以及开关波形平滑且不会因d V/d t快速变化而产生EMI噪声等主要特性。全新开发的STEALTHTM续流二极管具有低正向压降和高击穿电压以及软恢复特性。该续流二极管经过优化，不仅在高频硬开关条件下具有低损耗特性，同时在典型工作条件下还表现出低反向恢复电流以及出色的软恢复特性。图3显示开启和关断开关波形（VDC=600 V，IC=10 A，VCC=15 V，TJ=150℃）。 VDC=600 V，VCC=15 V，TJ=150℃条件下的开关损耗如图4所示。1 200 V/10 A SPM®2产品还具有出色的短路耐受时间性能（VDC=600 V，VCC=15 V，TJ=150℃），如图 5所示。

图 3 开关波形（VDC=600 V，IC=10 A，VCC=15 V，TJ=150℃）

图4 1 200 V/10 A SPM®2产品的开关损耗（VDC=600 V，VCC=15 V，TJ=150℃）

图5 1 200 V/10 A SPM®2产品的损坏短路波形（VDC=600 V，VCC=15 V，TJ=150℃）

2.2 驱动IC

HVIC和LVIC已设计为所需的功能最少，这两者因性价比高而特别适合工业风扇电机驱动应用的变频器驱动。设计考虑因素有：通过精湛的工艺技术缩小芯片尺寸、由3.3 V/5 V进给微控制器直接驱动高电平有效接口、低功耗、更好的抗噪性、稳定性好可耐受温度变化。HVIC内置的高压电平转换功能这一特性，可将微控制器的PWM输出直接传输至高侧功率器件，如图6所示。HVIC通常因其信号由脉冲信号以及S-R锁存传输而对外部噪声敏感[1]。进行驱动IGBT的开关操作时，如果产生的d VS/d t很高，那么LDMOS的寄生电容会得到大电流充电，R1和R2上因而会产生更多压降，从而导致异常触发S-R锁存器。为了克服噪声敏感问题，我们已开发出具有独特拓扑的增强型噪声消除器，如图6所示。V/I转换器可将电平转换器的输出转换为电流信息。对于具有高d V/d t的共模噪声，V/I转换器可提供相同的输出。正常工作时，V/I转换器输出相互之间有所不同，这是因为两个LDMOS中只有一个可在电平转换器的正常工作状态下运行。因此，要确定V/I转换器输出是否由噪声决定并不困难。一旦噪声消除器辨认出共模噪声，它就会吸收V/I转换器的输出。然后，I/V转换器重构电压信号，该信号在VB和VS供电轨之间摆动；供电轨是V/I转换器的电流输出。第二个噪声消除器可消除高频噪声，从I/V转换器输出的信号中含有该噪声。最终，放大信号发送至S-R锁存器。

图6 高侧驱动器配置

V/I和I/V转换的另一个优势，是允许的负VS电压不再由电路的阈值电平决定。得益于其独有的拓扑，Fairchild HVIC允许高达VS=-10 V的静态负操作（VBS约为15 V时），以及高达VS=-200 V的动态负操作，如图7所示。针对高d V/d t噪声，它还具有高达50 V/ns的良好抗噪性能，如图8所示。

图7 动态负操作波形

图 8 d V S/d t波形

LVIC负责提供所有保护功能，及其到微控制器的反馈。其保护电路监控控制电源电压、LVIC温度以及外部感测电阻两端的电压，以便检测过量电流。如果检测到保护性操作，则低侧的三个IGBT关断，故障信号发送至微控制器。该LVIC还可根据CFOD值提供各种故障持续时间的支持。如果CFOD引脚为开路，则可以保证50μs的最小值。集成式3.3 V/5 V CMOS/TTL兼容型施密特触发器输入调理电路可实现与微处理器的直接连接。采用5 kΩ电阻，将 HVIC和LVIC的输入拉低至地，使微处理器驱动。

2.3 热性能

器件的功率载荷能力取决于器件的热传递能力。这款建议模块不仅利用DBC基板提供良好的热性能，同时还适配应用提供工作频率选择。根据图9中热阻测量结果，IGBT的结至外壳热阻低于 1.33℃/W，FWD低于2.30℃/W。

图9 结至外壳热阻IGBT和FWD特性

单个IGBT的功率损耗由IGBT和FWD的导通损耗以及开关损耗组成。稳态关断期间的损耗可忽略，因为其数值非常小，并且对器件温度升高的影响很小。导通损耗取决于饱和电压等器件的直流电气特性。因此，它是导通电流与器件结温的函数。另一方面，开关损耗由电路的动态特性决定，比如开/关时间和过压/过流。因此，为了获得精确的开关损耗，我们应当考虑直流母线电压、施加的开关频率和功率电路布局以及电流和温度。有关电机控制应用中根据PWM变频系统计算导通和开关损耗的详细公式，请参考文献[2]和[3]。图10显示1 200 V/10 A SPM®2产品与竞争型1 200 V/10 A产品的单个IGBT功率损耗特性比较结果。这些数值来源于典型实验数据。应注意，PWM调制指数MI=1.0、PF=0.9、VDC=600 V、VCC=15 V、TJ=150 ℃、fSW=16 kHz、正弦输出电流是所有计算中的公共仿真参数。该结果表示1 200 V/10 A SPM®2产品相比竞争型产品具有更低的功率损耗。

图10 1 200 V/10 A功率损耗比较

2.4 可靠性

对于要求高可靠性的工业风扇电机应用，在-40℃～125℃范围内的极端温度下执行最多1 000次循环的温度周期寿命测试，以及最多100 000次循环的电源周期寿命测试。使用水冷法进行电源周期寿命测试评估，delta TJ等于100℃。针对每次可靠性测试，监控1 200 V/10 A SPM®2产品的Vce(sat)。在1 000次循环的温度周期测试以及100 000次循环的电源周期寿命测试期间，Vce(sat)分布达到了低于3%的漂移，如图11和图12所示。

显然，这种良好的耐受性是因为它具有坚固的封装结构，该结构针对工业风扇电机应用而设计。

本文概述了全新1 200 V/10 A SPM®智能功率模块。该模块提供高效率、更高可靠性、简单结构以及高性价比等大量优势。1 200 V/10 A SPM®2产品为工业风扇电机应用提供了出色的解决方案。