适用于三相电机驱动的智能功率模块设计实用指南

本文旨在为 SPM 31 v2 系列功率模块设计提供实用指南，该系列智能功率模块 (IPM) 适用于三相电机驱动，包含三相变频段、栅极驱动器等。

设计构思

SPM 31 v2 旨在提供封装紧凑、功耗更低且可靠性更高的模块。为此，它采用了新型栅极驱动高压集成电路 (HVIC)、基于先进硅技术的新型绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，以及基于压铸模封装的改进型直接键合铜 (DBC) 衬底。与现有的分立方案相比，SPM 31 v2 的电路板尺寸更小，可靠性更高。其目标应用为工业变频电机驱动，例如商用空调、通用变频器和伺服电机。SPM 31 v2 产品通过 LVIC 实现了温度感测功能，系统可靠性更高。我们提供了与模块中 LVIC 温度成比例的模拟电压，以便监测模块温度并针对过温情况提供必要的保护。图 1 所示为封装外形结构。

图1.SPM 31 v2的外观和内部结构

关键特性

1200V/15、25、35A、三相FS7 IGBT变频器，包括用于栅极驱动和保护的控制IC

采用DBC衬底，热阻非常低

内置自举电路，PCB布局更简单

采用开放式发射极配置，可轻松监测每个相位的电流感测

通过内置HVIC和自举操作，实现单点接地电源供电

利用LVIC实现了内置温度感测功能

隔离等级达到2500Vrms/min。

产品说明

订购信息

图2.订购信息

产品系列

表 1 展示了 SPM31 v2 产品系列，其中未包含封装差异。建议使用在线仿真工具运动控制设计工具来找到适合目标应用的产品。封装图请参考封装外形一章。

表 1.产品系列

1.上述额定功率是根据特定操作条件仿真得出的结果，因此可能会随操作条件的变化而改变。

2.正在开发。

内部电路图

三个自举电路产生驱动高边 IGBT 所需的电压。自举二极管是HVIC的内部部件，高边 IGBT 的驱动电压通过自举电路从VDD (15V) 获取。针对高边驱动信号提供了一个内部电平转换电路，因此所有控制信号均可直接由与控制电路（例如微控制器）共用的GND电平驱动，无需使用光耦合器进行外部隔离LVIC温度感测信号通过VTS引脚输出。

图3.内部等效电路图

图4.封装顶视图和引脚分配

表2.编号、名称和虚拟引脚

3. 带 ( ) 的引脚为内部连接虚拟引脚。这些引脚应保持未连接。

引脚详细定义及注意事项

引脚：VB(U)−VS(U)、VB(V)−VS(V)、VB(W)−VS(W)

用于驱动 IGBT 的高边偏置电压引脚和用于驱动 IGBT 的高边偏置电压接地引脚。

VB(U)、VB(V)、VB(W) 引脚分别连接到每相自举二极管的阴极引脚。

这些引脚是驱动电源引脚，用于向高边 IGBT 提供栅极驱动电源。

自举电路方案的优势在于高边 IGBT 无需外部电源。

各个自举电容器在相应的低边 IGBT 和二极管处于导通状态期间，由 VDD 电源充电。

为了避免电源电压中的噪声和纹波引起故障，应该在这些引脚附近安装优质（低 ESR、低 ESL）滤波电容器。

引脚：VDD(L)、VDD(UH)、VDD(VH)、VDD(WH)

低边和高边偏置电压引脚。

这些引脚是内置 IC 的控制电源引脚。

这四个引脚应外接。

为了避免电源电压中的噪声和纹波引起故障，应该在这些引脚附近安装优质（低 ESR、低 ESL）滤波电容器。

引脚：VSS

公共电源接地引脚。

该引脚是内置 IC 的电源接地引脚。

重要提示：为避免噪声影响，主电源电路的电流不应流过该引脚。

引脚：HIN(U/V/W)、LIN(U/V/W)

信号输入引脚。

这些引脚用于控制内置 IGBT 的操作。

这些引脚由电压输入信号激活，而端子内部连接到一个由 5V 级 CMOS 组成的施密特触发器电路。

这些引脚的信号逻辑为高电平有效。在这些引脚上施加足够大的逻辑电压时，与这些引脚关联的 IGBT 将导通。

为保护 SPM 31 v2 产品免受噪声影响，每个输入的布线应尽可能短。

为防止信号振荡，建议采用图 22 所示的 RC 耦合。

引脚：CIN

过流和短路检测输入引脚。

要检测过流或短路电流，需要将电流感测分流电阻器连接在 CIN 引脚之前的低通滤波器和低压侧接地引脚 VSS 之间。

应根据与特定应用匹配的检测水平来选择分流电阻器。

为消除噪声，应在 CIN 引脚上连接 RC 滤波器。

应尽量缩短分流电阻器与 CIN 引脚之间的连接长度。

引脚：VFO

故障输出引脚。

该引脚是故障输出报警引脚。SPM 31 v2 产品处于故障状态时，该引脚会输出一个低电平有效信号。

报警条件包括过流保护 (OCP) 或低压侧偏置欠压闭锁 (UVLO) 操作。

VFO 输出为开漏配置。VFO 信号线路应通过约 10 kΩ 电阻上拉至 5 V 逻辑电源。

引脚：CFOD

用于故障输出持续时间控制的输入引脚

故障输出的持续时间取决于 CFOD 和 VSS 引脚之间的电容。

引脚：VTS

模拟温度感测输出引脚。

这个引脚用于通过模拟电压指示 LVIC 的温度。LVIC 本身会产生一定的功率损耗，但主要是 IGBT 产生的热量会导致 LVIC 的温度升高。

VTS 与温度间的关系特性如图 15 所示。

引脚：P

正直流链路引脚。

变频器的直流链路正电源引脚。

内部连接到高边IGBT的集电极。

为了抑制由直流链路布线或PCB布线电感引起的浪涌电压，需要在该引脚附近连接一个平滑滤波电容器（提示：通常使用金属薄膜电容器）。

引脚：NU、NV、NW

负直流链路引脚。

这些引脚是变频器的直流负电源引脚（电源接地）。

这些引脚连接到每相的低边IGBT发射极。

这些引脚用于连接一个或三个分流电阻器进行电流感测。

引脚：U、V、W

变频器电源输出引脚。

变频器输出引脚，用于连接变频器负载（例如电机）。

封装

封装结构

由于散热是限制功率模块电流能力的重要因素，因此封装的散热特性对于性能的影响至关重要。在散热特性、封装尺寸和隔离特性之间需要进行一些权衡取舍。出色的封装技术关键在于保持出色的散热特性，同时优化封装尺寸，而又不影响隔离等级。

SPM 31 v2采用DBC衬底技术，具有非常出色的散热特性，从而能够实现更高的可靠性和散热性能。功率芯片直接安装在DBC衬底上。

图5和图6为SPM 31 v2封装的外形和横截面。

图5.信号引脚、电源引脚和引脚至散热器的隔离距离

图6.SPM 31 v2的封装结构和横截面

封装外形

图7.封装外形

产品简介

本节重点介绍绝对最大额定值、电气特性、推荐工作条件和机械特性。各产品的详细说明请参阅相应的产品手册。

绝对最大额定值

（除非另有说明，否则 Tj＝25°C）

如超过最大额定值表格中列出的应力，可能会损坏器件。如超过上述任何限制，就不能假定器件功能正常，这时器件可能会出现损坏且可靠性可能受到影响。

4.由于P和NU、NV、NW端子之间存在走线电感，开关操作时会产生浪涌电压。

5. 计算值考虑了设计因素。

热阻

（除非另有说明，否则 Tj＝25°C）

6.外壳温度(Tc)的测量点请参见图8。

图8.外壳温度(Tc)检测点

电气特性

（除非另有说明，否则VDD=15V且Tj＝25°C）

除非另有说明，否则“电气特性”所示的产品参数性能是在所列的测试条件下获得的。如在不同条件下运行，产品性能可能与“电气特性”中所示不同。

性能通过设计和/或 Tj＝Ta＝25°C 条件下的表征测试，在所示的工作温度范围内得到保证。测试过程中采用了低占空比脉冲技术，从而保持结温尽量接近环境温度。这些值基于设计和/或表征测试结果。

7.ton 和 toff 包括内部驱动 IC 的传播延迟时间。tc(on) 和 tc(off) 是内部给定栅极驱动条件下 IGBT 本身的开关时间。详细信息请参见图9。

8.短路电流保护仅在低边起作用。

9.根据以下近似方程，故障输出脉冲宽度 tFOD 取决于CFOD的电容值：故障输出脉冲宽度−tFOD＝0.11×106×CFOD[s]。

10.TLVIC是LVIC本身的温度。VTS仅用于感测LVIC的温度，不能自动关断 IGBT。

图9.开关评估电路和开关时间定义

推荐工作条件

（基于 NFAM3512L7B）

不建议在超过推荐工作范围中所列应力的情况下操作器件。长期承受超出推荐工作范围限值的应力可能会影响器件的可靠性。

散热器的平整度容差应在 −50 µm 至 +100 µm 范围内。

11.允许输出电流值是本产品安全运行的参考数据。这可能与实际应用和操作条件有所不同。

12.如果输入脉冲宽度小于推荐值，产品可能不会响应。

机械特性

审核编辑：刘清