基于SPM3智能功率模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究

崔延

【摘要】FSBB30CH60CT是飛兆半導(dǎo)體新開(kāi)發(fā)的先進(jìn)Motion SPM3系列產(chǎn)品，為低功率應(yīng)用（如空調(diào)、洗衣機(jī)）中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路設(shè)計(jì)。

【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(jī)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(diǎn)，因此，提高電機(jī)能效成為重點(diǎn)研究技術(shù)。要降低能耗就要求把電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制做得更精密，更智能。通過(guò)功率模塊的控制，可以實(shí)現(xiàn)“弱電”控制“強(qiáng)電”，達(dá)到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目的。功率模塊根據(jù)頻率變化來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能，一般可以節(jié)能30%左右。

專(zhuān)注于功率半導(dǎo)體的飛兆半導(dǎo)體公司（Fairchild

Semiconductor Corporation）是一個(gè)熱衷推動(dòng)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(jī)）中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器及保護(hù)電路，用于驅(qū)動(dòng)AC100-220V低功耗電機(jī)。FSBB30CH60CT是其系列產(chǎn)品之一，組合了優(yōu)化的電路保護(hù)和驅(qū)動(dòng)功能，匹配低損耗IGBT，同時(shí)將欠壓閉鎖和過(guò)流保護(hù)功能集于一體，增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性。內(nèi)部集成高速高壓電路（HVIC）為無(wú)光電耦合、單電源IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)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。可以看出，它是由一個(gè)三相IGBT逆變器電路功率模塊和四個(gè)用于控制功能的驅(qū)動(dòng)IC組成。逆變器低端由三個(gè)配有續(xù)流二極管的IGBT組成，包括一個(gè)具有門(mén)極驅(qū)動(dòng)控制和保護(hù)功能的集成電路（IC）。逆變器高端由三個(gè)配有續(xù)流二極管的IGBT組成，每個(gè)IGBT分別由一個(gè)集成電路（IC）驅(qū)動(dòng)。逆變器的功率端是由逆變器的四個(gè)直流輸入端和三個(gè)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(jiǎn)單便捷。

（3）600V-30A三相IGBT逆變橋（包含用于門(mén)極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的控制IC）。

（4）三個(gè)獨(dú)立負(fù)直流鏈路端子，用于實(shí)現(xiàn)逆變器的電流檢測(cè)。

（5）單接地電源，實(shí)現(xiàn)內(nèi)置HVIC。

（6）絕緣等級(jí)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(qiáng)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(dá)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(dú)立封裝中實(shí)現(xiàn)三相逆變器、SRM驅(qū)動(dòng)器和功率因數(shù)校正等成為可能。

2.驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，智能功率模塊FSBB30CH60CT是CPU與電機(jī)之間的功率接口。使用FSBB30CH60CT設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)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(shí)際應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電路

功率模塊FSBB30CH60CT內(nèi)部集成了一個(gè)專(zhuān)用HVIC，因此無(wú)需任何光耦合器或變壓器隔離，其控制信號(hào)可直接與CPU相連，即允許6個(gè)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(hào)震蕩，RC時(shí)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(bào)警引腳，當(dāng)SPM發(fā)生短路電流保護(hù)或欠壓閉鎖時(shí)，就會(huì)通過(guò)該腳輸出低電平。VFO輸出為集電極開(kāi)路輸出，因此需要一個(gè)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(jì)算公式為，通常取C24為33nF，則為1.8ms。

SPM的應(yīng)用為減小電機(jī)體積并簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(jì)

SPM功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路采用單電源供電，為保證控制電源能夠?yàn)镻側(cè)功率器件提供正確的門(mén)極偏置電壓，同時(shí)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(dòng)集成電路（IC）的高端柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)電壓的大小必須控制在13.018.5V，以保證HVIC能夠完全驅(qū)動(dòng)高端IGBT1。通過(guò)自舉電源可產(chǎn)生VBS浮動(dòng)電壓，自舉電源電路由一個(gè)自舉二極管（DBS）、電阻（RBS）和電容（CBS）組成，如圖4所示。當(dāng)IGBT2開(kāi)通時(shí)，VS通過(guò)地低端器件或負(fù)載被下拉到地端，VCC電源經(jīng)過(guò)自舉二極管（DBS）和電阻（RBS）對(duì)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(shí)，足夠驅(qū)動(dòng)IGBT1。初次自舉充電時(shí)，低端IGBT導(dǎo)通時(shí)間要足夠長(zhǎng)，才能對(duì)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(jì)

在圖3的應(yīng)用電路中有三路自舉電路，共用了一個(gè)電阻R8，由R8、D5、C9組成其中一路自舉電路。當(dāng)高端IGBT或二極管導(dǎo)電時(shí)，自舉二極管承受整個(gè)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(shí)際電壓為500V。考慮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(jì)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。考慮離散性和可靠性，實(shí)際選擇的自舉電容一般是計(jì)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(shí)間為100s，選定ΔV=1V，=1mA，通過(guò)上式計(jì)算得到電容為0.1F，實(shí)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(shí)間常數(shù)，同時(shí)R8還取決于外部門(mén)極電阻R5、R6、R7，可通過(guò)調(diào)節(jié)R5、R6、R7的阻值控制上橋臂IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的dv/dt。因此為了避免外部門(mén)極電阻上的電壓降超過(guò)上橋臂功率器件門(mén)限電壓，通常選用的自舉電阻阻值為外部門(mén)極電阻的三倍以上。

4.短路電流保護(hù)電路

功率級(jí)電路中，高性能功率模塊自身保護(hù)是很重要的，尤其是短路保護(hù)。SPM短路觸發(fā)電平為0.5V左右，當(dāng)SPM檢測(cè)出8腳（Csc）的電壓超過(guò)0.5V時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)故障信號(hào)，通過(guò)6腳VFO故障輸出報(bào)警引腳輸出。SPM具有內(nèi)置短路電流保護(hù)功能，因此用于短路電流檢測(cè)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(guò)電阻R14來(lái)檢測(cè)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(hù)電流值的大小進(jìn)行選擇。SPM短路觸發(fā)電平為0.5V左右，這里設(shè)定瞬時(shí)電流保護(hù)值為40A，經(jīng)計(jì)算選擇阻值為0.0125Ω，功率為10W的無(wú)感電阻。另外檢測(cè)電阻R14需要并聯(lián)一個(gè)小電容，用來(lái)消除上電瞬時(shí)大電流導(dǎo)致的電流保護(hù)誤操作。

R17、C25構(gòu)成濾波電路，RC的時(shí)間常數(shù)取決于實(shí)際應(yīng)用中的噪聲持續(xù)時(shí)間和芯片的短路電流耐受時(shí)間，為了確保安全的短路保護(hù)，應(yīng)控制時(shí)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(dòng)電路和保護(hù)功能集于一體的功率集成電路，其內(nèi)部包含了門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）、欠壓保護(hù)（UV）等多種保護(hù)電路以及故障檢測(cè)等。測(cè)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(jī)、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(jī)的能效，達(dá)到了節(jié)能的目的。隨著它的優(yōu)越性進(jìn)一步被市場(chǎng)檢驗(yàn)，必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

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