高集成汽車功率模塊改進汽車電氣化設計

很少有其它應用場所和車輛行駛環(huán)境一樣，對各種電子元器件的要求異常嚴苛，它往往意味著如何讓用于汽車或卡車的電機設計實現(xiàn)更高的耐用性、可靠性和高效率將成為一項嚴格的挑戰(zhàn)。例如，機架式電動助力轉向系統(tǒng)可能會面臨超過100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動負載，并且還會接觸到石油產(chǎn)品和鹽水、噴霧等——所有這些都要求提供150 A或更高的電機相電流，同時還要求損耗能夠達到最小。其次，制造成本、尺寸大小和重量也是需要考慮的另一個因素，因此針對特殊設計查找合適的組件就顯得尤為重要。

目前，出現(xiàn)了一種趨勢有助于汽車設計師改進電氣化，即日益普遍采用的高度集成汽車功率模塊（APM，Automotive Power Modules），此類模塊能夠以較小的尺寸提供較高的功率密度，本文將重點探討APM功率模塊在提高汽車電氣性能的同時，使設計更為緊湊的實現(xiàn)方式。

APM功率模塊的構成

一般來說，APM汽車功率模塊通常在單個緊湊封裝中集成了全部功能所需的器件，這很容易在設計中實現(xiàn)。例如，飛兆半導體的FTCO3V455A1就是一款符合汽車應用要求的MOSFET逆變器功率級模塊，它可提供三相逆變器的所有功能，包括六個提供高電流、高效率操作的MOSFET.該模塊中還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0.5 毫歐精密分流電阻，可提供電流反饋，實現(xiàn)電機控制和過流保護。另外，該汽車功率模塊內(nèi)部還設有一個溫度感測NTC，用于監(jiān)控逆變器的發(fā)熱情況。和其他制造商APM模塊的設計原理一樣，這款功率模塊可提供不同的電路組合——設計人員可使用APM汽車功率模塊代替分立式設計，由此創(chuàng)建出一個尺寸更小、能夠提供更高功率密度的系統(tǒng)。

在實際應用中，APM功率模塊通常被直接安裝在電機外殼表面，允許PCB僅沿模塊一側連接至信號引腳（如圖1所示）。


圖1：三相逆變器APM汽車功率模塊示意圖

在所示的電路中，電源線放在模塊相反的兩側，用于分離控制和電源接口。這樣，PCB上就不需要高電流走線，使得設計實施和生產(chǎn)更為簡單。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。

減少機械連接，提升熱性能

在使用分立式封裝組件開發(fā)的逆變器中，如TO-263或MO-299封裝通常都會有較多的機械接口需要處理，其中包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，某些情況下還可能有散熱片至下一級組件的連接等。這些機械接口與系統(tǒng)的熱性能緊密相關，而在APM汽車功率模塊中，這些大部分的機械接口已整合于APM之中，在許多情況下，要進行的唯一純機械連接是從模塊到散熱片。

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APM功率模塊實現(xiàn)的簡化機械接口設計可獲得極好的熱性能。如圖2所示，它顯示出對于逆變器的所有六個MOSFET，從結至外殼以及通常從結至散熱片的瞬態(tài)熱阻，結至散熱片的熱阻體現(xiàn)為采用30 ？m厚系數(shù)為2.1 W/（m-K）的導熱材料。

圖2： APM汽車功率模塊瞬態(tài)熱阻

采用這種從散熱片到硅的簡單堆疊，可獲得出色的熱性能，也使得全逆變器可采用極高功率密度的封裝。例如，圖2所使用的APM功率模塊其尺寸為29x44x5mm，可構成約400 mL總容量的極緊湊逆變器組件，包括繼電器、直流鏈路濾波器組件、控制PCB、散熱片和連接器等。

其它性能優(yōu)勢

采用分立式解決方案，載流量容易受到引線框架和IMS走線厚度的限制。而使用單封裝的APM功率模塊可顯著增強載流量。此外，分立式解決方案還有較高的總逆變器電阻、逆變器電感、走線電阻和柵極驅動電路電感，以及更高的熱阻（結-散熱片）。為此，所有這些性能特性通過將分立式解決方案替換為APM功率模塊而得到改進。

另一方面，更好的EMC特性也是使用APM功率模塊的另一個原因。采用這種模塊可以更輕松地隔離功率和信號引腳，實現(xiàn)更低的電感并靠近RC濾波，同時，使用APM功率模塊還可以提供更高的扭矩輸出，由此將電動系統(tǒng)的應用領域擴大至重型車輛。

結論

APM功率模塊可用于各種汽車電子子系統(tǒng)，尤其適用于電控助力轉向、油和水泵，以及冷卻風扇應用中。汽車電子設計工程師充分利用現(xiàn)成的APM功率模塊，將能夠更好地實現(xiàn)汽車子系統(tǒng)的電源管理功能。APM功率模塊以更小的尺寸達到更高的功率密度，并且最大程度地減少了機械連接，降低了熱阻，更為重要的是，與分立式解決方案相比，這種APM功率模塊還可以提高汽車電子的各項電氣性能。