智能功率模塊：走向小型化與高效能

使用BLDC馬達(dá)進(jìn)行節(jié)能處處可見，可以說是塵埃落定。其挑戰(zhàn)在于以合理的成本在馬達(dá)里集成一個(gè)復(fù)雜的電子控制電路，從而為用戶提供服務(wù)。優(yōu)化的功率驅(qū)動電路對馬達(dá)具有巨大的提升性能的潛力，功率驅(qū)動電路就像微控制器和馬達(dá)之間的肌肉，功率器件的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗會影響整個(gè)控制器所需的尺寸和散熱設(shè)計(jì)。飛兆半導(dǎo)體提供的高集成度Motion-SPM智能功率模塊正是這樣的設(shè)計(jì)方案：盡管客戶需要一款緊湊的解決方案，但是功率密度不可能無限制提高。因而，新的功率開關(guān)技術(shù)能夠發(fā)揮作用，可以減少損耗，提高功率密度。
HV MOSFET技術(shù)提升功率密度
飛兆半導(dǎo)體新推UniFET II技術(shù)是一種稱之為“自對準(zhǔn)”技術(shù)，采用前一個(gè)工序的結(jié)構(gòu)來精確定位下一個(gè)工序。利用這種方式，可以更有效地使用設(shè)備的邊界參數(shù)，形成最優(yōu)的平面MOSFET技術(shù)。與先前的產(chǎn)品相比，這些晶體管具有更好的導(dǎo)通電阻(RDSON)/面積數(shù)值，有助于提高模塊性能。同時(shí)，由于芯片面積增大了，相比具有相同RDSON的超級結(jié)晶體管，這些晶體管具有更強(qiáng)壯的耐沖擊能力。
這些晶體管用于飛兆半導(dǎo)體開發(fā)的新型500V智能功率模塊，新模塊是引腳兼容的，因而可以輕易調(diào)整為不同的輸出功率水平。圖1所示為現(xiàn)有封裝之一，三個(gè)加長引腳可以增加爬電距離。還提供比較傳統(tǒng)的DIP及SMD封裝模塊，后者適合自動拾放設(shè)備。需要注意的是，使用SMD封裝模塊時(shí)，安裝散熱片很需要技巧，因?yàn)楹更c(diǎn)處的機(jī)械壓力會降低可靠性。因此，既可以驅(qū)動更高功率馬達(dá)且不需要散熱片的新模塊具有極大的吸引力。
圖2所示是典型的模塊應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)圖，簡圖顯示這個(gè)電路集成度很高、外部元件數(shù)量很少。最左側(cè)的是微控制器，可以單獨(dú)控制三個(gè)半橋的全部功率開關(guān)。根據(jù)應(yīng)用狀況，可能需要使用低通濾波器來幫助抑制噪聲引起的誤觸發(fā)。在這個(gè)電路中，使用三個(gè)感應(yīng)電阻來測量每個(gè)馬達(dá)相位的電流。而根據(jù)控制算法，這可能需要也可能不需要，例如在無傳感器控制的情況下就不需要。一個(gè)完整的應(yīng)用電路，只需一個(gè)輔助電源、電磁干擾(EMI)濾波器、輸入整流器和總線電容就夠了。特別的是，模塊里集成了一個(gè)陰極負(fù)載二極管，用來生成高側(cè)開關(guān)的驅(qū)動電壓，另外需要少量無源元件。模塊中還集成了電路設(shè)計(jì)中至關(guān)緊要的柵極驅(qū)動電路，并在模塊生產(chǎn)線的最后環(huán)節(jié)進(jìn)行測試，這大大簡化了應(yīng)用設(shè)計(jì)，并提高了產(chǎn)品的可靠性。
功率模塊趨向小型化
使用這些新型功率開關(guān)，可以節(jié)省多達(dá)25%的功率，功耗降低帶來許多改善之處。一方面，散熱片和整體模塊的散熱設(shè)計(jì)可以更緊湊，具有更高的性價(jià)比。提供相同的輸出功率，但產(chǎn)品的體積更小，這是一項(xiàng)重要的優(yōu)勢，在泵或風(fēng)扇設(shè)計(jì)中效果尤為顯著。一般來說，通過使用較小的電子驅(qū)動器件，可以將受控馬達(dá)用于以往不可能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用中。而且，減少了生產(chǎn)材料的使用意味著降低生產(chǎn)、運(yùn)輸和回收的成本，這些均可歸結(jié)為產(chǎn)品壽命周期成本。
另一方面，可以提高最大輸出功率，同時(shí)維持現(xiàn)有設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性。采用相同的散熱設(shè)計(jì)而功耗較低的產(chǎn)品，具有更高的可靠性， 因?yàn)闊崞戚^少，故障率就會大大減少。而且，同一種設(shè)計(jì)，只需更換不同的輸出功率芯片，就可以演變出多種不同型款，從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
泵和風(fēng)扇是兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域
泵和風(fēng)扇是顯著受益于這些優(yōu)點(diǎn)的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，我們來做進(jìn)一步的分析。這兩個(gè)應(yīng)用均要求高可靠性和高耐用性，一款較小型應(yīng)用設(shè)計(jì)能夠帶來顯著的優(yōu)勢。
在泵的應(yīng)用里，控制電路和馬達(dá)的集成有著巨大的優(yōu)勢，但是也有弊端。智能功率模塊的環(huán)境條件受到馬達(dá)的影響，尤其是其功耗的影響，供給模塊使用的功耗減少了，在熱液泵的使用中更為明顯，例如中央供暖系統(tǒng)，模塊的功耗預(yù)算變得相當(dāng)少，所以每一個(gè)百分點(diǎn)的效率提高都是非常有用的。
在風(fēng)扇的應(yīng)用里，環(huán)境溫度通常不高，情況相對從容。但要達(dá)到好的通風(fēng)效果，就必須有一個(gè)最緊湊的設(shè)計(jì)，因?yàn)轳R達(dá)及其控制電路占據(jù)風(fēng)扇的截面區(qū)域，減小了空氣流通的面積，所以需要體積最小的設(shè)計(jì)方案。
即插即用設(shè)計(jì)成趨勢
開發(fā)一種高度可靠的功率電子子系統(tǒng)不是件容易的任務(wù)，尤其要詳細(xì)而周全地考慮系統(tǒng)對于耐用性和可靠性的要求，如果再加上經(jīng)典的高電流密度設(shè)計(jì)就更是一個(gè)挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)上要緊湊、成本要合理，電磁輻射水平不要太高，只有這樣才能輕松通過資格和符合性測試。
那么使用智能功率模塊來設(shè)計(jì)功率電子子系統(tǒng)，就會使這個(gè)開發(fā)任務(wù)變得簡單，因?yàn)榕c許多應(yīng)用方面相關(guān)的智能功率模塊，其中許多關(guān)鍵的連接件，特別是柵極驅(qū)動電路，已經(jīng)集成在模塊內(nèi)部，這就減少了設(shè)計(jì)時(shí)間和精力。
實(shí)現(xiàn)驅(qū)動方案組合中的一項(xiàng)實(shí)用性設(shè)計(jì)很吸引人：模塊的輸出功率不同但引腳兼容。在這項(xiàng)設(shè)計(jì)里，盡管印刷電路板設(shè)計(jì)通?？梢员３窒嗤?，但散熱設(shè)計(jì)要符合預(yù)定的最大功耗。例如，F(xiàn)SB50250，F(xiàn)SB50450和FSB50550三種模塊，RDSON值不同，但引腳是兼容的，可以互換使用。它的好處是當(dāng)所需要的輸出功率要增加或減少時(shí)，僅僅通過更換一個(gè)簡單的模塊就實(shí)現(xiàn)了。
具備更高的智能性
電子控制BLDC馬達(dá)的主要缺點(diǎn)是需要控制電路，但也可能成為其最大的優(yōu)點(diǎn)!控制電路可以實(shí)現(xiàn)額外的功能，為用戶增添價(jià)值。例如冰箱的壓縮機(jī)就不會在啟動和停止時(shí)產(chǎn)生很大噪聲，而是根據(jù)應(yīng)用需求以較低轉(zhuǎn)速來運(yùn)作，從而大大降低噪音。另一個(gè)案例是加熱泵，通過動態(tài)調(diào)整參數(shù)能夠顯著節(jié)能;而且，當(dāng)有物體機(jī)械地阻塞了加熱泵時(shí)，它可以反向轉(zhuǎn)動來清除阻塞，而這是老式驅(qū)動器所做不到的。
目前，業(yè)界正在探討基于寬帶隙半導(dǎo)體材料之功率開關(guān)的新技術(shù)，盡管這些技術(shù)有一些引人注目的性能表現(xiàn)，但用于工業(yè)用途還為時(shí)尚早，因?yàn)樾虏牧系纳a(chǎn)目前仍然是成本高，良率低，而且失效機(jī)理和可靠性方面的研究還不充分，尤其是在要求高可靠性和高耐用性的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
可以預(yù)見，未來的智能功率模塊會加進(jìn)更多的功能，將具備更高的智能性。一種方式是集成控制IC，也可以集成附加保護(hù)功能或其它功率電子元件。實(shí)現(xiàn)這些附加功能的關(guān)鍵技術(shù)是靈活耐用的多芯片封裝技術(shù)，飛兆半導(dǎo)體SPM模塊就是采用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
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兩種HV MOSFET技術(shù)的不同應(yīng)用
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