智能功率模塊用于汽車高壓輔助電機(jī)負(fù)載應(yīng)用

作者 Thomas Yim 安森美半導(dǎo)體高級經(jīng)理

摘要：集成的智能功率模塊(IPM)將在汽車功能電子化中發(fā)揮關(guān)鍵作用，促成新一代緊湊的、高能效和高可靠性的電機(jī)驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)在內(nèi)燃機(jī)中省去耗能的機(jī)械式驅(qū)動負(fù)荷。IPM的主要促成元素有場截止溝槽IGBT、STEALTH 二極管、HVIC、LVIC和DBC技術(shù)等。

提升燃油經(jīng)濟(jì)性

　　汽車法規(guī)的當(dāng)前趨勢是刺激對每英里產(chǎn)生更少CO2的更經(jīng)濟(jì)車輛的需求。車輛購置稅政策目前支持低污染的車型，汽車制造商必須遵守新的法規(guī)，如歐盟的車隊(duì)平均排放指令，懲罰不提供燃油經(jīng)濟(jì)性的汽車品牌。所有汽車的平均CO2排放量不得超過130克/公里，而不遵守的制造商必須每售出一臺汽車就支付過量排放費(fèi)。到2021年CO2的限制將減少到95克/公里，CO2減排法規(guī)將提前不斷加強(qiáng)。

　　汽車制造商為實(shí)現(xiàn)更高燃油能效的戰(zhàn)略的重要一環(huán)是由電動驅(qū)動取代傳統(tǒng)由發(fā)動機(jī)驅(qū)動的主要子系統(tǒng)。這包括水泵、油泵、空調(diào)、渦輪增壓器和動力轉(zhuǎn)向。這有效地減少了發(fā)動機(jī)上的機(jī)械負(fù)荷，令更多的能量通過燃燒燃油釋放出來，用于驅(qū)動車輛。以電裝置取代機(jī)械馬達(dá)負(fù)載(如泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī))可減少燃油消耗高達(dá)3%至5%。

　　汽車行業(yè)期望確保電氣系統(tǒng)更換盡可能高效，因?yàn)檐囕v的電能由電池供電，電池本身通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)充電。新的電氣負(fù)載不應(yīng)需求過多的電力，也應(yīng)設(shè)計(jì)為最大限度地減少可避免的能源損耗，以最大化整體燃油經(jīng)濟(jì)性。另一個(gè)關(guān)注的問題是越來越多的電動驅(qū)動系統(tǒng)對車輛線束的大小和重量的影響，汽車制造商需要有效的技術(shù)，以防止線束變得過大和沉重。

　　為電氣系統(tǒng)的更換設(shè)計(jì)大功率電機(jī)驅(qū)動器，在幫助汽車制造商實(shí)現(xiàn)他們在能效、物理尺寸和亮度的目標(biāo)方面有重大影響。

利用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)專知

　　汽車行業(yè)可以吸取以往在其它領(lǐng)域獲得的驅(qū)動設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。例如，在家用電器市場，多年來對高能效電機(jī)驅(qū)動的需求極為重要。有助于比較不同設(shè)備能效等級的產(chǎn)品標(biāo)簽計(jì)劃，令消費(fèi)者注重能效和促成知情購買決策，可以減少總的CO2排放量，有助于減少個(gè)人公用事業(yè)費(fèi)。

　　為達(dá)到最佳的能效等級，白色家電和工業(yè)應(yīng)用，包括大功率電機(jī)(0.5kW~10kW)，如洗衣機(jī)、伺服驅(qū)動器、工業(yè)泵在以節(jié)能可變速變頻驅(qū)動器更換低成本簡單的單速驅(qū)動。隨著這些驅(qū)動器的成本降低，功率半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和知識產(chǎn)權(quán)(如磁場定向控制(FOC)固件)的成熟，采用可變速驅(qū)動的電器已逐漸從高端設(shè)備過渡到主流產(chǎn)品范圍。在發(fā)達(dá)國家的許多房主現(xiàn)在可以享有他們家電的變速驅(qū)動的優(yōu)勢，這不僅包括較低的設(shè)備運(yùn)行成本，還包括更安靜的運(yùn)行和更靈活的使用模式。

　　安靜及高能效的電機(jī)驅(qū)動器對汽車行業(yè)將是額外的吸引力。隨著內(nèi)燃機(jī)日益向電驅(qū)動模式和啟停(微型混合)模式發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)噪聲正在逐步從汽車車艙消除。由于客艙更安靜，其他機(jī)制如電動機(jī)也必須更小聲，以確保盡可能最佳的終端用戶體驗(yàn)。

　　此外，變速控制可調(diào)節(jié)油和冷卻劑的流速，以滿足發(fā)動機(jī)在寬范圍工作條件的需要。如果發(fā)動機(jī)已高速運(yùn)行，然而此時(shí)交通堵塞，要求發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)，同時(shí)傳統(tǒng)的水泵要慢下來。電子控制的變速泵可以通過編程以在發(fā)動機(jī)內(nèi)的熱條件以理想的速率移動冷卻液，也可以在發(fā)動機(jī)關(guān)閉后繼續(xù)運(yùn)行，以優(yōu)化發(fā)動機(jī)的冷卻曲線。

電源模塊的集成

　　變頻驅(qū)動比簡單的定速驅(qū)動更復(fù)雜。它們包含一個(gè)運(yùn)行FOC算法的控制器、用于驅(qū)動電流到電機(jī)相的功率晶體管橋所需的高邊和低邊門極驅(qū)動器、在三相橋內(nèi)達(dá)6個(gè)IGBT或MOSFET和保護(hù)電力設(shè)備及系統(tǒng)免受潛在的破壞性危害(如浪涌電壓、短路電流和過溫)的保護(hù)電路。

　　在控制模塊如電機(jī)驅(qū)動中更高的功能整合對使制造商在未來的汽車底盤增加所需的額外的電路至關(guān)重要。實(shí)際上，整合不僅有助于節(jié)省空間，而且還可以幫助降低成本，提高可靠性，加快新產(chǎn)品的上市進(jìn)程。有利的是，在家電行業(yè)中獲得的現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以幫助滿足這些要求。

　　家電市場的需求促進(jìn)智能功率模塊(IPM)的創(chuàng)建，它利用最先進(jìn)的制造和封裝技術(shù)以結(jié)合高壓、大功率電路及邏輯電路在同一器件中。

　　IPM在關(guān)鍵柵極驅(qū)動器和保護(hù)電路的同一模塊中集成橋式高壓硅電源。這為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員提供了幾個(gè)優(yōu)勢。巨大的優(yōu)勢是，客戶可以實(shí)現(xiàn)基于直接鍵合銅(DBC)技術(shù)的極低的Tj性能。顯然，它也簡化了功率級的設(shè)計(jì)，否則將需要工程師自己配置邏輯和電源電路，并處理所有的原型，以成功地將它們集成為一個(gè)系統(tǒng)，以及設(shè)計(jì)保護(hù)電路。由于這些任務(wù)繁雜，現(xiàn)成的方案是非常有價(jià)值的。

　　而且，在單個(gè)模塊中集成所有驅(qū)動器的功率級電路遠(yuǎn)比由分立元件組成的方案省空間。該模塊占位可更小，通常會有一個(gè)較低的安裝高度。此外，由于必須被放置和連接的單個(gè)元件較少，整體可靠性增加。

滿足汽車應(yīng)用需求

　　安森美半導(dǎo)體的FAM65V05DF1汽車IPM智能功率模塊的出現(xiàn)標(biāo)志著新一代汽車認(rèn)證的(AECQ100/101)集成功率模塊的出現(xiàn)。該模塊包含一個(gè)由6個(gè)功率開關(guān)組成的三相橋，每個(gè)功率開關(guān)都結(jié)合一個(gè)650V高能效場截止溝槽短路級IGBT和一個(gè)具有軟恢復(fù)特性及低反向恢復(fù)電流的續(xù)流二極管。由于使用高壓總線以較小的橫截面和低重量的電導(dǎo)體的低電流為電負(fù)荷配電的行業(yè)期待， IGBTs 650 V額定值支持約200~400 V母線電壓，提供足夠的安全裕量。

　　三個(gè)單通道高壓IC(HVIC)控制高邊IGBT的門極，一個(gè)三路輸出的低壓IC(LVIC)控制低邊IGBT的門極，如圖3所示。

　　FAM65V05DF1 中的LVIC和HVIC實(shí)施個(gè)別的欠電壓鎖定(UVLO)電路以保護(hù)IGBT，避免以不足的門極驅(qū)動電壓工作。過流保護(hù)電路在LVIC中實(shí)施，提供軟關(guān)斷特性，通過衰減門極電壓，而不是突然關(guān)斷器件，保護(hù)IGBT免受潛在的破壞性電壓浪涌。該模塊的溫度傳感器用以協(xié)調(diào)熱保護(hù)，也集成在LVIC中。此外，該LVIC有故障輸出，可用于激活系統(tǒng)等級保護(hù)以實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性。

　　對于汽車應(yīng)用，模塊的熱性能非常重要。峰值環(huán)境溫度可能非常高，特別是模塊附近或在發(fā)動機(jī)上，同時(shí)必須確保至少在保修期或比保修期稍長的時(shí)期內(nèi)的可靠性。尺寸和成本的限制也必須考慮到。直接鍵合銅(DBC)基板提供具性價(jià)比和熱能效的方案。在汽車IPM中，IGBT和續(xù)流二極管被直接連接到DBC基板。這確保了從電源芯片的熱量有效地抽取至封裝邊緣，在封裝邊緣可以附加散熱器以幫助散熱。

　　把功率半導(dǎo)體、驅(qū)動器和保護(hù)電路集成到單個(gè)模塊，在僅44mmx26mm的占位上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的三相橋和驅(qū)動器。相比傳統(tǒng)使用單個(gè)汽車認(rèn)證的元件(分立IGBT+外部三相門極驅(qū)動器等)實(shí)施的控制器，該方案可以節(jié)省30%的PCB空間。

總結(jié)

　　隨著提高內(nèi)燃機(jī)能效的重要性不斷加強(qiáng)，高能效集成的高壓電源模塊是提供緊湊的、實(shí)惠的和可靠的電氣以替代通常由發(fā)動機(jī)曲柄驅(qū)動的耗能的機(jī)械驅(qū)動器的關(guān)鍵。這些模塊結(jié)合功率開關(guān)、門極驅(qū)動和邏輯電路在單個(gè)器件中，如智能功率模塊，類似于已經(jīng)在當(dāng)今一些最好的家用電器證實(shí)的方案。場截止溝槽IGBT、STEALTH 二極管、HVIC、LVIC和DBC技術(shù)是促成新一代汽車IPM的主要促成元素，以滿足汽車行業(yè)的能效、可靠性、成本和尺寸的要求。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第7期第30頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。