第10版:2012年电子电器节能技术特刊
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智能功率模块:走向小型化与高效能
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恩智浦绿色洗衣机等家电应用全方案助力中国厂商设计高效节能产品
 
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下一篇4 2012年7月20日 放大 缩小 默认        

智能功率模块:走向小型化与高效能

    图1:TinyDIP模块带有用于马达连接的加长引脚

    图2:SPM模块的应用电路结构图

 

    飞兆半导体 Alfred Hesener

    使用BLDC马达进行节能处处可见,可以说是尘埃落定。其挑战在于以合理的成本在马达里集成一个复杂的电子控制电路,从而为用户提供服务。优化的功率驱动电路对马达具有巨大的提升性能的潜力,功率驱动电路就像微控制器和马达之间的肌肉,功率器件的开关和传导损耗会影响整个控制器所需的尺寸和散热设计。飞兆半导体提供的高集成度Motion-SPM智能功率模块正是这样的设计方案:尽管客户需要一款紧凑的解决方案,但是功率密度不可能无限制提高。因而,新的功率开关技术能够发挥作用,可以减少损耗,提高功率密度。

    HV MOSFET技术提升功率密度

    飞兆半导体新推UniFET II技术是一种称之为“自对准”技术,采用前一个工序的结构来精确定位下一个工序。利用这种方式,可以更有效地使用设备的边界参数,形成最优的平面MOSFET技术。与先前的产品相比,这些晶体管具有更好的导通电阻(RDSON)/面积数值,有助于提高模块性能。同时,由于芯片面积增大了,相比具有相同RDSON的超级结晶体管,这些晶体管具有更强壮的耐冲击能力。

    这些晶体管用于飞兆半导体开发的新型500V智能功率模块,新模块是引脚兼容的,因而可以轻易调整为不同的输出功率水平。图1所示为现有封装之一,三个加长引脚可以增加爬电距离。还提供比较传统的DIP及SMD封装模块,后者适合自动拾放设备。需要注意的是,使用SMD封装模块时,安装散热片很需要技巧,因为焊点处的机械压力会降低可靠性。因此,既可以驱动更高功率马达且不需要散热片的新模块具有极大的吸引力。

    图2所示是典型的模块应用电路结构图,简图显示这个电路集成度很高、外部元件数量很少。最左侧的是微控制器,可以单独控制三个半桥的全部功率开关。根据应用状况,可能需要使用低通滤波器来帮助抑制噪声引起的误触发。在这个电路中,使用三个感应电阻来测量每个马达相位的电流。而根据控制算法,这可能需要也可能不需要,例如在无传感器控制的情况下就不需要。一个完整的应用电路,只需一个辅助电源、电磁干扰(EMI)滤波器、输入整流器和总线电容就够了。特别的是,模块里集成了一个阴极负载二极管,用来生成高侧开关的驱动电压,另外需要少量无源元件。模块中还集成了电路设计中至关紧要的栅极驱动电路,并在模块生产线的最后环节进行测试,这大大简化了应用设计,并提高了产品的可靠性。

    功率模块趋向小型化

    使用这些新型功率开关,可以节省多达25%的功率,功耗降低带来许多改善之处。一方面,散热片和整体模块的散热设计可以更紧凑,具有更高的性价比。提供相同的输出功率,但产品的体积更小,这是一项重要的优势,在泵或风扇设计中效果尤为显著。一般来说,通过使用较小的电子驱动器件,可以将受控马达用于以往不可能实现的应用中。而且,减少了生产材料的使用意味着降低生产、运输和回收的成本,这些均可归结为产品寿命周期成本。

    另一方面,可以提高最大输出功率,同时维持现有设计参数的一致性。采用相同的散热设计而功耗较低的产品,具有更高的可靠性, 因为热偏移较少,故障率就会大大减少。而且,同一种设计,只需更换不同的输出功率芯片,就可以演变出多种不同型款,从而缩短产品上市时间。

    泵和风扇是两个应用领域

    泵和风扇是显著受益于这些优点的两个应用领域,我们来做进一步的分析。这两个应用均要求高可靠性和高耐用性,一款较小型应用设计能够带来显著的优势。

    在泵的应用里,控制电路和马达的集成有着巨大的优势,但是也有弊端。智能功率模块的环境条件受到马达的影响,尤其是其功耗的影响,供给模块使用的功耗减少了,在热液泵的使用中更为明显,例如中央供暖系统,模块的功耗预算变得相当少,所以每一个百分点的效率提高都是非常有用的。

    在风扇的应用里,环境温度通常不高,情况相对从容。但要达到好的通风效果,就必须有一个最紧凑的设计,因为马达及其控制电路占据风扇的截面区域,减小了空气流通的面积,所以需要体积最小的设计方案。

    即插即用设计成趋势

    开发一种高度可靠的功率电子子系统不是件容易的任务,尤其要详细而周全地考虑系统对于耐用性和可靠性的要求,如果再加上经典的高电流密度设计就更是一个挑战。与此同时,设计上要紧凑、成本要合理,电磁辐射水平不要太高,只有这样才能轻松通过资格和符合性测试。

    那么使用智能功率模块来设计功率电子子系统,就会使这个开发任务变得简单,因为与许多应用方面相关的智能功率模块,其中许多关键的连接件,特别是栅极驱动电路,已经集成在模块内部,这就减少了设计时间和精力。

    实现驱动方案组合中的一项实用性设计很吸引人:模块的输出功率不同但引脚兼容。在这项设计里,尽管印刷电路板设计通常可以保持相同,但散热设计要符合预定的最大功耗。例如,FSB50250,FSB50450和FSB50550三种模块,RDSON值不同,但引脚是兼容的,可以互换使用。它的好处是当所需要的输出功率要增加或减少时,仅仅通过更换一个简单的模块就实现了。

    具备更高的智能性

    电子控制BLDC马达的主要缺点是需要控制电路,但也可能成为其最大的优点!控制电路可以实现额外的功能,为用户增添价值。例如冰箱的压缩机就不会在启动和停止时产生很大噪声,而是根据应用需求以较低转速来运作,从而大大降低噪音。另一个案例是加热泵,通过动态调整参数能够显著节能;而且,当有物体机械地阻塞了加热泵时,它可以反向转动来清除阻塞,而这是老式驱动器所做不到的。

    目前,业界正在探讨基于宽带隙半导体材料之功率开关的新技术,尽管这些技术有一些引人注目的性能表现,但用于工业用途还为时尚早,因为新材料的生产目前仍然是成本高,良率低,而且失效机理和可靠性方面的研究还不充分,尤其是在要求高可靠性和高耐用性的工业应用领域。

    可以预见,未来的智能功率模块会加进更多的功能,将具备更高的智能性。一种方式是集成控制IC,也可以集成附加保护功能或其它功率电子元件。实现这些附加功能的关键技术是灵活耐用的多芯片封装技术,飞兆半导体SPM模块就是采用这种技术实现的。

 
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