崔延

【摘要】FSBB30CH60CT是飛兆半導(dǎo)體新開發(fā)的先進Motion SPM3系列產(chǎn)品，為低功率應(yīng)用（如空調(diào)、洗衣機）中的電機驅(qū)動提供了緊湊且高性能的逆變器解決方案。文中敘述了模塊的工作原理及其驅(qū)動電路設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】智能功率模塊;SPM;FSBB30CH60CT;自舉電路

Abstract：FSBB30CH60CT is an advanced motion SPM 3 Series that Fairchild has newly developed to provide a very compact and high performance inverter solution for AC motor drives in Low-Power applications such as air conditioners. This paper describes the working principle of module and the design of driver circuit.

Key words：Smart Power Module;SPM;FSBB30CH60CT;Bootstrap Circuit

引言

電機是各種電設(shè)備中的用電大戶，隨著節(jié)能成為全球關(guān)注的焦點，因此，提高電機能效成為重點研究技術(shù)。要降低能耗就要求把電機的驅(qū)動和控制做得更精密，更智能。通過功率模塊的控制，可以實現(xiàn)“弱電”控制“強電”，達到驅(qū)動電機的目的。功率模塊根據(jù)頻率變化來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)節(jié)能，一般可以節(jié)能30%左右。

專注于功率半導(dǎo)體的飛兆半導(dǎo)體公司（Fairchild

Semiconductor Corporation）是一個熱衷推動綠色節(jié)能的企業(yè)，其推出的智能功率模塊（Smart Power Module，SPM）產(chǎn)品FSBB30CH60CT（Motion SPM3系列產(chǎn)品之一）為低功率應(yīng)用（如空調(diào)、洗衣機）中的電機驅(qū)動提供了緊湊且高性能的逆變器解決方案。

1.FSBB30CH60CT的主要性能

Motion-SPM是一款超小型集成功率模塊，采用雙列直插式移模封裝，內(nèi)部集成了功率部件、上下橋臂柵極驅(qū)動器及保護電路，用于驅(qū)動AC100-220V低功耗電機。FSBB30CH60CT是其系列產(chǎn)品之一，組合了優(yōu)化的電路保護和驅(qū)動功能，匹配低損耗IGBT，同時將欠壓閉鎖和過流保護功能集于一體，增強了系統(tǒng)可靠性。內(nèi)部集成高速高壓電路（HVIC）為無光電耦合、單電源IGBT門極驅(qū)動提供了可能，并縮減了逆變器系統(tǒng)的體積。

其內(nèi)部等效電路與輸入/輸出引腳如圖1所示?？梢钥闯?，它是由一個三相IGBT逆變器電路功率模塊和四個用于控制功能的驅(qū)動IC組成。逆變器低端由三個配有續(xù)流二極管的IGBT組成，包括一個具有門極驅(qū)動控制和保護功能的集成電路（IC）。逆變器高端由三個配有續(xù)流二極管的IGBT組成，每個IGBT分別由一個集成電路（IC）驅(qū)動。逆變器的功率端是由逆變器的四個直流輸入端和三個輸出端組成。

1.1 主要特性

（1）使用Al2O3 DBC技術(shù)，熱阻很低。

（2）采用內(nèi)置自舉二極管，PCB布局簡單便捷。

（3）600V-30A三相IGBT逆變橋（包含用于門極驅(qū)動和保護的控制IC）。

（4）三個獨立負直流鏈路端子，用于實現(xiàn)逆變器的電流檢測。

（5）單接地電源，實現(xiàn)內(nèi)置HVIC。

（6）絕緣等級為2500Vrms/min。

1.2 封裝形式

FSBB30CH60CT采用覆銅陶瓷基板（DBC）封裝（如圖2），這是一種特殊工藝，即在高溫下將銅箔直接鍵合到氧化鋁（AL2O3）或氮化鋁（ALN）陶瓷基片表面（單面或雙面）。所制成的超薄復(fù)合基板電絕緣性能好，導(dǎo)熱特性高，軟釬焊性優(yōu)異，附著強度高，同PCB板一樣能蝕刻出各種圖形，具有很大的載流能力，最高載流量可達100安培/毫米。

這種DBC封裝，不僅提高了功率密度，而且使得在獨立封裝中實現(xiàn)三相逆變器、SRM驅(qū)動器和功率因數(shù)校正等成為可能。

2.驅(qū)動控制設(shè)計

實際應(yīng)用中，智能功率模塊FSBB30CH60CT是CPU與電機之間的功率接口。使用FSBB30CH60CT設(shè)計的驅(qū)動無刷直流電機控制電路如圖3所示。

圖1 FSBB30CH60CT的內(nèi)部等效電路圖

圖2 FSBB30CH60CT的封裝示意圖

圖3 實際應(yīng)用驅(qū)動電路

功率模塊FSBB30CH60CT內(nèi)部集成了一個專用HVIC，因此無需任何光耦合器或變壓器隔離，其控制信號可直接與CPU相連，即允許6個輸入控制端直接連接CPU。這里采用了RC耦合電路，目的是防止信號震蕩，RC時間常數(shù)選擇在50150ns，耦合電路中R9R15采用100Ω，C17C23采用1nF。

SPM模塊的6腳VFO是故障輸出報警引腳，當SPM發(fā)生短路電流保護或欠壓閉鎖時，就會通過該腳輸出低電平。VFO輸出為集電極開路輸出，因此需要一個約4.7kΩ的上拉電阻。VFO輸出的脈沖寬度取決于連接在CFOD（引腳7）和COM之間的外部電容C24，計算公式為，通常取C24為33nF，則為1.8ms。

SPM的應(yīng)用為減小電機體積并簡化設(shè)計提供了可能。與分立式解決方案相比，其寄生電感更小，可靠性也更高。

3.自舉電路設(shè)計

SPM功率模塊的驅(qū)動電路采用單電源供電，為保證控制電源能夠為P側(cè)功率器件提供正確的門極偏置電壓，同時保證直流母線上的高壓不致串到控制電源電路而燒壞元器件。這里采用自舉電路給高壓柵極驅(qū)動集成電路（IC）的高端柵極驅(qū)動電路供電。

3.1 自舉電路工作原理

為SPM內(nèi)的HVIC提供電源的是電壓VBS（VB與VS的電壓差）。這個電壓的大小必須控制在13.018.5V，以保證HVIC能夠完全驅(qū)動高端IGBT1。通過自舉電源可產(chǎn)生VBS浮動電壓，自舉電源電路由一個自舉二極管（DBS）、電阻（RBS）和電容（CBS）組成，如圖4所示。當IGBT2開通時，VS通過地低端器件或負載被下拉到地端，VCC電源經(jīng)過自舉二極管（DBS）和電阻（RBS）對自舉電容器（CBS）充電，電流的流經(jīng)路線如圖4中虛線所示。這樣自舉電容CBS端電壓可保持在VCC，使得關(guān)閉IGBT2時，足夠驅(qū)動IGBT1。初次自舉充電時，低端IGBT導(dǎo)通時間要足夠長，才能對自舉電容完全充電。

圖4 自舉電路工作原理圖

3.2 自舉電路參數(shù)設(shè)計

在圖3的應(yīng)用電路中有三路自舉電路，共用了一個電阻R8，由R8、D5、C9組成其中一路自舉電路。當高端IGBT或二極管導(dǎo)電時，自舉二極管承受整個母線電壓。在功率模塊FSBB30CH60CT中，電源的最大額定值為450V，加上浪涌電壓50V，施加在二極管上的實際電壓為500V?？紤]100V的余量，自舉二極管所承受的電壓應(yīng)大于600V，因此，選用反向耐壓峰值為600V的快速二極管RS1J。

自舉電容的大小可根據(jù)以下公式計算：

上式中為CBS最大放電電流，為高端IGBT的最大導(dǎo)通脈沖寬度，為CBS允許的放電電壓。而IGBT的最大導(dǎo)通脈寬由PWM載波頻率和最大占空比決定?？紤]離散性和可靠性，實際選擇的自舉電容一般是計算值的2～3倍。例如若系統(tǒng)PWM載波頻率為8KHz，最大占空比為80%，則上橋臂最大導(dǎo)通時間為100s，選定ΔV=1V，=1mA，通過上式計算得到電容為0.1F，實際應(yīng)用中可選擇。

自舉電阻R8與自舉電容共同決定了自舉充電時間常數(shù)，同時R8還取決于外部門極電阻R5、R6、R7，可通過調(diào)節(jié)R5、R6、R7的阻值控制上橋臂IGBT開關(guān)過程中的dv/dt。因此為了避免外部門極電阻上的電壓降超過上橋臂功率器件門限電壓，通常選用的自舉電阻阻值為外部門極電阻的三倍以上。

4.短路電流保護電路

功率級電路中，高性能功率模塊自身保護是很重要的，尤其是短路保護。SPM短路觸發(fā)電平為0.5V左右，當SPM檢測出8腳（Csc）的電壓超過0.5V時，將產(chǎn)生一個故障信號，通過6腳VFO故障輸出報警引腳輸出。SPM具有內(nèi)置短路電流保護功能，因此用于短路電流檢測的功率電阻的選擇就至關(guān)重要。在圖3所示應(yīng)用電路中，SPM通過電阻R14來檢測N側(cè)直流環(huán)節(jié)的線路電流，其大小選擇主要是依據(jù)模塊內(nèi)部保護電流值的大小進行選擇。SPM短路觸發(fā)電平為0.5V左右，這里設(shè)定瞬時電流保護值為40A，經(jīng)計算選擇阻值為0.0125Ω，功率為10W的無感電阻。另外檢測電阻R14需要并聯(lián)一個小電容，用來消除上電瞬時大電流導(dǎo)致的電流保護誤操作。

R17、C25構(gòu)成濾波電路，RC的時間常數(shù)取決于實際應(yīng)用中的噪聲持續(xù)時間和芯片的短路電流耐受時間，為了確保安全的短路保護，應(yīng)控制時間常數(shù)在1s左右。

5.小結(jié)

相比于分立元件組合模式，智能功率模塊是將功率器件（IGBT）及其驅(qū)動電路和保護功能集于一體的功率集成電路，其內(nèi)部包含了門極驅(qū)動電路、過電流保護（OC）、短路保護（SC）、欠壓保護（UV）等多種保護電路以及故障檢測等。測試結(jié)果表明，模塊在可重復(fù)性、可靠性及性能方面均優(yōu)于等同的分立元件產(chǎn)品。

目前，許多諸如洗衣機、空調(diào)等家電產(chǎn)品中已經(jīng)使用該高性能功率模塊，使用效果良好，并降低了電機的能效，達到了節(jié)能的目的。隨著它的優(yōu)越性進一步被市場檢驗，必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻

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江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級訪問學者計劃資助項目（2013）。