基于SPM3智能功率模塊的電機驅動研究

崔延

【摘要】FSBB30CH60CT是飛兆半導體新開發的先進Motion SPM3系列產品，為低功率應用（如空調、洗衣機）中的電機驅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動電路設計。

【關鍵詞】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

電機是各種電設備中的用電大戶，隨著節能成為全球關注的焦點，因此，提高電機能效成為重點研究技術。要降低能耗就要求把電機的驅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“弱電”控制“強電”，達到驅動電機的目的。功率模塊根據頻率變化來控制電機的轉速，從而實現節能，一般可以節能30%左右。

專注于功率半導體的飛兆半導體公司（Fairchild

Semiconductor Corporation）是一個熱衷推動綠色節能的企業，其推出的智能功率模塊（Smart Power Module，SPM）產品FSBB30CH60CT（Motion SPM3系列產品之一）為低功率應用（如空調、洗衣機）中的電機驅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，內部集成了功率部件、上下橋臂柵極驅動器及保護電路，用于驅動AC100-220V低功耗電機。FSBB30CH60CT是其系列產品之一，組合了優化的電路保護和驅動功能，匹配低損耗IGBT，同時將欠壓閉鎖和過流保護功能集于一體，增強了系統可靠性。內部集成高速高壓電路（HVIC）為無光電耦合、單電源IGBT門極驅動提供了可能，并縮減了逆變器系統的體積。

其內部等效電路與輸入/輸出引腳如圖1所示。可以看出，它是由一個三相IGBT逆變器電路功率模塊和四個用于控制功能的驅動IC組成。逆變器低端由三個配有續流二極管的IGBT組成，包括一個具有門極驅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流二極管的IGBT組成，每個IGBT分別由一個集成電路（IC）驅動。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，熱阻很低。

（2）采用內置自舉二極管，PCB布局簡單便捷。

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

（4）三個獨立負直流鏈路端子，用于實現逆變器的電流檢測。

（5）單接地電源，實現內置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）。所制成的超薄復合基板電絕緣性能好，導熱特性高，軟釬焊性優異，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三相逆變器、SRM驅動器和功率因數校正等成為可能。

2.驅動控制設計

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

圖1 FSBB30CH60CT的內部等效電路圖

圖2 FSBB30CH60CT的封裝示意圖

圖3 實際應用驅動電路

功率模塊FSBB30CH60CT內部集成了一個專用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的應用為減小電機體積并簡化設計提供了可能。與分立式解決方案相比，其寄生電感更小，可靠性也更高。

3.自舉電路設計

SPM功率模塊的驅動電路采用單電源供電，為保證控制電源能夠為P側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動集成電路（IC）的高端柵極驅動電路供電。

3.1 自舉電路工作原理

為SPM內的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能夠完全驅動高端IGBT1。通過自舉電源可產生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，使得關閉IGBT2時，足夠驅動IGBT1。初次自舉充電時，低端IGBT導通時間要足夠長，才能對自舉電容完全充電。

圖4 自舉電路工作原理圖

3.2 自舉電路參數設計

在圖3的應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。考慮100V的余量，自舉二極管所承受的電壓應大于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的最大導通脈沖寬度，為CBS允許的放電電壓。而IGBT的最大導通脈寬由PWM載波頻率和最大占空比決定。考慮離散性和可靠性，實際選擇的自舉電容一般是計算值的2～3倍。例如若系統PWM載波頻率為8KHz，最大占空比為80%，則上橋臂最大導通時間為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，同時R8還取決于外部門極電阻R5、R6、R7，可通過調節R5、R6、R7的阻值控制上橋臂IGBT開關過程中的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重要。在圖3所示應用電路中，SPM通過電阻R14來檢測N側直流環節的線路電流，其大小選擇主要是依據模塊內部保護電流值的大小進行選擇。SPM短路觸發電平為0.5V左右，這里設定瞬時電流保護值為40A，經計算選擇阻值為0.0125Ω，功率為10W的無感電阻。另外檢測電阻R14需要并聯一個小電容，用來消除上電瞬時大電流導致的電流保護誤操作。

R17、C25構成濾波電路，RC的時間常數取決于實際應用中的噪聲持續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，應控制時間常數在1s左右。

5.小結

相比于分立元件組合模式，智能功率模塊是將功率器件（IGBT）及其驅動電路和保護功能集于一體的功率集成電路，其內部包含了門極驅動電路、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。測試結果表明，模塊在可重復性、可靠性及性能方面均優于等同的分立元件產品。

目前，許多諸如洗衣機、空調等家電產品中已經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，達到了節能的目的。隨著它的優越性進一步被市場檢驗，必將得到越來越廣泛的應用。

參考文獻

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江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃資助項目（2013）。