更高效電機驅動的基本挑戰(zhàn)和解決方案

解決方案3：功率半導體器件支持

　　功率電子設計中一個經(jīng)常討論的話題是功率模塊和分立功率半導體之間的選擇。有人可能會認為使用分立器件的歷史習慣、物理布局的靈活性以及各個功率半導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體器件轉換到功率模塊需要額外的客戶研發(fā)工作。這個選擇從來都不容易，也不明顯。需要考慮的3個關鍵因素和對應的產(chǎn)物：

(1)電池/總線互聯(lián)、功率級，和電機

　　● 效率;

　　● EMI/EMC。

(2)熱堆疊設計

　　● 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，通常不是一個好主意。若分立器件不能滿足五個要求中的一個或多個要求，則功率模塊可能是最好的解決方案。五個要求是：(1)可靠性;(2)結構緊湊;(3)電氣性能;(4)增值互聯(lián);(5)熱性能。

　　在電氣、機械和熱領域的交互方面出現(xiàn)關鍵挑戰(zhàn)。包括從直流電源到逆變功率級的高電流或低寄生效應互聯(lián)，逆變器與電機之間的高電流接口，從逆變器到支架結構的穩(wěn)定機械互聯(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)，同時還能實現(xiàn)各個因素與剛才強調的要求之間的平衡。

　　對于三相ACIM和BLDC變頻驅動，存在六個驅動三個電機相位的晶體管。大多數(shù)線路電壓總線控制是 IGBT，因為當線路電壓、功率需求和工作溫度上升時，IGBT具有卓越的傳導性能。線路電壓總線輸入和變頻驅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，因為其傳導和開關性能通常超過 IGBT。從逆變器電路到電機的理想功率波形可以顯著提高效率。

設計分立器件與模塊時遇到的電氣挑戰(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，用于驅動必須體現(xiàn)卓越機電性能(包括高效率)的電機。12V的總線可能需要六個40V額定MOSFET(典型裸片Rds(on)為1.15 mΩ)，才能實現(xiàn)高電流和高效率運行?；蛘呔€路電壓總線和高電流應用可能需要并聯(lián)的多個分立IGBT。根據(jù)特定的靜態(tài)和動態(tài)驅動特性來篩選IGBT成為生產(chǎn)之外的額外步驟，用于“匹配”IGBT，實現(xiàn)均流控制。若沒有匹配的IGBT，當在高電流應用中每個開關并聯(lián)多個部件時，可能出現(xiàn)不想要的熱應力不匹配。功率模塊讓硅器件承擔匹配IGBT的責任，讓最終用戶無需擔憂。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，實現(xiàn)電機控制和過流保護。 另外，還有一個溫度感測 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外殼表面，允許控制PC僅沿模塊一側連接至信號引腳(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，從而簡化設計和生產(chǎn)。傳熱式直接敷銅(DBC)結構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并且與控制PCB隔離，設計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的設計留出額外裕量。類似地，由于模塊內包含所有高電流傳導路徑，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，并最大化電機端子可用的電壓。 這樣系統(tǒng)設計人員在設計電機時就享有成本優(yōu)勢。

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

設計分立器件與模塊時遇到的機械挑戰(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)設計人員處理的更多機械接口。 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構中，只剩下模塊到散熱片接口由變頻系統(tǒng)設計人員處理。 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實現(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。正確的安裝方法還能夠擴展產(chǎn)品的功率容量^[3]。

設計分立模塊時影響可靠性的熱挑戰(zhàn)

　　與安裝在PCB或IMS上的六個或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過使用功率模塊的簡化機械接口設計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MOSFET的結至殼以及典型結至散熱片瞬態(tài)熱阻^[7]。 結至散熱片的熱阻假設為采用30微米膠層厚度，系數(shù)為2.1 W/(m-K)的導熱材料。

　　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，可構成約400 mL總容量的極緊湊變頻組件，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所需的封裝和焊線應力^[4]。

總結

　　將幾十年的線路驅動交流電機替代為變頻驅動的高效電機是一個節(jié)能的、對環(huán)境負責的趨勢，由功率半導體器件和現(xiàn)代機器控制技術實現(xiàn)。采用模塊的低成本解決方案順應需要和挑戰(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：

　　[1]IEA世界能源展望

　　[2]Han S.擴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/