基于 BLDC 的逆變器系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冰箱、洗衣機(jī)、烘干機(jī)、房間空調(diào)和風(fēng)扇電機(jī)等消費(fèi)類應(yīng)用，因?yàn)樗仁褂弥绷麟姍C(jī)或交流感應(yīng)電機(jī)的傳統(tǒng)解決方案更快、更安靜、更節(jié)能。如今，由于節(jié)能和法規(guī)要求，它的需求和擴(kuò)展已成為強(qiáng)制性要求。推動這一進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)是逆變器技術(shù)，特別是傳遞模塑集成功率模塊。
　　自 1998 年以來，轉(zhuǎn)移模塑封裝技術(shù)已成功應(yīng)用于使用IGBT、續(xù)流 FRD 和 MOSFET 作為電源開關(guān)以及使用高壓集成電路 (HVIC)作為柵極驅(qū)動器的電機(jī)驅(qū)動 IPM [1]-[6]。IPM 的電壓和電流范圍已陸續(xù)增加到 1200V 和 50A 以上。轉(zhuǎn)移模塑技術(shù)的優(yōu)勢主要在于同時使用銅引線框架作為電導(dǎo)體，這可以大大減小封裝尺寸以及制造成本。
　　家用電器空調(diào)和凈化系統(tǒng)中使用的低功率 BLDC 風(fēng)扇電機(jī)逆變器設(shè)計(jì)由于數(shù)量巨大且產(chǎn)品空間有限，對成本和尺寸限制要求非常嚴(yán)格。通過將橫向 IGBT 與控制電路集成在單個硅片上，已經(jīng)針對此應(yīng)用開發(fā)了多項(xiàng)單芯片逆變器解決方案。它們可以提供更小的電路面積，但也存在一些缺點(diǎn)。電路設(shè)計(jì)缺乏靈活性，而且功率耗散集中在一個位置，這會導(dǎo)致熱管理問題。LIGBT 的開關(guān)性能和耐用性低于傳統(tǒng)開關(guān)器件，導(dǎo)致應(yīng)用范圍和可控性非常有限。
　　對于這些小型風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，Alpha and Omega Semiconductor 開發(fā)了一種新型表面貼裝 IPM。建議的模塊由采用新封裝的先進(jìn) MOSFET 和柵極驅(qū)動 IC 組成，是一種高度緊湊、可靠且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。由于采用了部分超結(jié) MOSFET 技術(shù)、集成自舉電路的 HVIC 以及優(yōu)化的封裝設(shè)計(jì)，IPM 的封裝尺寸極小，因此可以顯著提高系統(tǒng)的成本效益開發(fā)，減小逆變器電路板尺寸，實(shí)現(xiàn)簡單可靠的 PCB 組裝。

　

　　圖 1：建議的 IPM。（a）外部視圖，（b）內(nèi)部等效電路和引腳配置
　　緊湊的封裝和電氣設(shè)計(jì)
　　圖 1(a) 顯示了所提出的雙列直插式 IPM 的 19 引腳計(jì)數(shù)封裝的輪廓。采用了引線框架結(jié)構(gòu)，并在其上焊接了多個 MOSFET 芯片和柵極驅(qū)動 IC。此封裝所需的總表面為 18mm x 10.3mm = 185.4mm2（包括引腳引線）。分立解決方案采用三片 SO-8 封裝的 HVIC 半橋驅(qū)動器，每個驅(qū)動器的表面需求為 5mm x 6.2mm = 31mm2，六片 DPAK 封裝的功率器件，每個器件的表面需求為 6.5mm x 10mm = 65mm2，需要 483mm2（= 3x 31mm2 + 6 x 65mm2）的表面。因此，保守地總結(jié)尺寸優(yōu)勢（忽略復(fù)雜布線的空間）與分立解決方案相比，PCB 空間需求僅為其 38%。圖 1(b) 示出了內(nèi)部等效電路和引腳配置，該電路由六個 MOSFET 作為功率開關(guān)器件、包括集成自舉元件的高端柵極驅(qū)動 HVIC 和包括溫度傳感 (VOT) 和固定過溫保護(hù)功能的低端柵極驅(qū)動 LVIC 組成。信號 COM 位于電源地 N 端子處。有兩個 u 相輸出引腳 U1 和 U2，需要通過外部 PCB 布線連接。

　

　　圖2：新型MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)
　　圖2顯示了集成在IPM中的新型MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)。它是專為具有部分超結(jié)配置的電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用而新開發(fā)的。與傳統(tǒng)平面MOSFET相比，功率密度Rds·A提高了30%以上，并且與超結(jié)器件相比，它可以提供更合適的EMI可控性。

　　

　　圖 3：開啟開關(guān)行為

　　圖 4：短路耐受性
　　通過微加工和晶圓工藝技術(shù)，設(shè)計(jì)的部分超結(jié) MOSFET 實(shí)現(xiàn)了適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通開關(guān)性能。從圖 3 所示的實(shí)驗(yàn)波形中，我們可以清楚地看出，在 EMI、噪聲和功耗方面，Irr、Qrr 和 trr 性能與三相電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中使用的傳統(tǒng)平面 MOSFET 技術(shù)相當(dāng)。已對柵極電阻器 Qg 和 Vth 進(jìn)行了選擇和設(shè)計(jì)，以防止導(dǎo)通時的擊穿問題。
　　圖4顯示了MOSFET短路耐久性的評估波形。它顯示超過100us的耐受時間，這對于逆變器的穩(wěn)定設(shè)計(jì)和控制來說已經(jīng)足夠好了。

　　已根據(jù)包括寄生電路電感在內(nèi)的實(shí)際 IPM 逆變器電路條件評估了開關(guān)操作 SOA。盡管所提出的 IPM 的額定電壓為 500V，但受 MOSFET 擊穿電壓 (BV) 限制，我們已將施加的直流鏈路電壓提高到 600V 以上。為了保證 500V，MOSFET 的典型 BV 設(shè)計(jì)基于 550V。值得注意的是，由于 MOSFET 設(shè)計(jì)非常堅(jiān)固，在直流鏈路電壓為 550V 的條件下，開關(guān)操作中沒有任何異?，F(xiàn)象，如圖 5 的波形所示。當(dāng)我們施加超過 600V 的直流鏈路電壓時，由于部分直通電流，觀察到出現(xiàn)異常導(dǎo)通電流。但由??于短路強(qiáng)度高，IPM 沒有發(fā)生破壞性故障。

　　圖 5：開關(guān) SOA 測試
　　高精度溫度轉(zhuǎn)換電路已通過激光微調(diào)技術(shù)集成到嵌入式柵極驅(qū)動 LVIC 中。VOT 引腳生成與 LVIC 溫度相對應(yīng)的模擬輸出電壓信號?？梢栽诟咏扇萑填~定值的結(jié)溫下使用 IPM。圖 6 說明了 VOT 的輸出特性。對不同批次的樣品進(jìn)行了評估，以驗(yàn)證 VOT 性能在實(shí)際應(yīng)用條件下的容差。值得注意的是，LVIC

　

　　圖 6：建議的 IPM 的 LVIC 溫度輸出
　　通過LVIC的合理設(shè)計(jì)及其精密的晶圓工藝，可以測量溫度。由于所提出的IPM封裝尺寸很小，VOT的電壓輸出將根據(jù)MOSFET的結(jié)溫做出快速響應(yīng)。它可為應(yīng)用提供簡單、廉價(jià)且準(zhǔn)確的解決方案。

　　圖 7：fSW=20kHz、PF=0.8、VDC=300V、VCC=15V 時的工作熱模擬
　　申請考慮
　　考慮到 50W-BLDC 電機(jī)的工作條件，進(jìn)行了熱仿真。采用了 20kHz 的 PWM 開關(guān)頻率，這被視為現(xiàn)場的正常頻率，以避免可聽見的噪聲。從圖 7 所示的仿真結(jié)果可以看出，F(xiàn)ET 4 的結(jié)溫，而低壓側(cè) FET 1 的溫升。兩個 MOSFET 芯片之間的溫差為 8°C?？梢哉f，模塊的額定功率將受到 FET 3 和 FET 4 的中心芯片的限制。在應(yīng)用的工作條件下，LVIC 溫度比 FET 4 低 17°C。
　　圖 8 解釋了所提出的 IPM 應(yīng)用示例的仿真摘要，其中仿真是基于連續(xù)工作功率條件進(jìn)行的。在圖 8(a) 中，功率損耗是在結(jié)溫為 150°C 時計(jì)算的。假設(shè) FET 4 的工作結(jié)溫決定了額定功率。應(yīng)該注意的是，允許的工作功率由外殼溫度 Tc 決定和控制，如圖 8(b) 所示。LVIC 和 FET 4 之間的溫差可能達(dá)到 30°C 以上，具體取決于工作功率，如圖 8(c) 所示。在模塊設(shè)計(jì)中，固定 OT 保護(hù)水平通常為 LVIC 溫度的 130°C。圖 8(d) 表明 FET 4 的溫度略高于 FET 3。圖 9 說明了應(yīng)用電路示例和實(shí)驗(yàn)設(shè)置。可以通過將 10kΩ 下拉電阻連接到 VOT（引腳編號 11）來禁用內(nèi)部固定的過溫保護(hù)功能，或者通過不連接電阻來啟用。無論下拉電阻連接如何，用于檢測 LVIC 溫度的模擬電壓輸出 VOT 始終處于激活狀態(tài)。建議使用 R2-C5 (2kΩ-10nF) 濾波器，以避免溫度傳感功能因噪聲而發(fā)生故障。圖 10 顯示了紅外攝像機(jī)拍攝的溫度曲線。結(jié)果表明，在 50W 逆變器運(yùn)行時，MOSFET 芯片中心區(qū)域的溫度比 LVIC 部分的溫度高出約 14°C。

　　圖 8：模擬結(jié)果。（a）功率損耗，（b）允許工作電流，（c）溫度上升，（d）溫差
　　圖 11(a) 顯示了啟用 OT 保護(hù)功能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng) LVIC 溫度達(dá)到其跳變水平（典型值 130°C）時，OTP 被激活。此時，測量的外殼溫度 Tc 為 144°C。當(dāng) LVIC 溫度降至其復(fù)位水平（典型值 100°C）時，OTP 操作被停用。顯然，30°C 的 OTP 滯后水平是經(jīng)過設(shè)計(jì)的。
　　還通過將 10kΩ 下拉電阻連接到引腳 11 來測試禁用 OT 保護(hù)情況下的溫升，如圖 11(b) 的測量結(jié)果所示。觀察到當(dāng)外殼溫度 Tc 達(dá)到 160°C 時，LVIC 溫度達(dá)到 144°C。出于安全考慮，逆變器系統(tǒng)已被故意關(guān)閉。
　　IPM 應(yīng)用的另一項(xiàng)有趣研究是自舉電容電壓的變化，如圖 12 所示。逆變器輸出頻率為 60Hz，開關(guān)頻率為 20kHz。自舉電壓與輸出電流一起表示

　　圖9：應(yīng)用電路示例

　

　　圖 10：紅外攝像機(jī)拍攝的溫度曲線
　　逆變器的自舉電壓VBS在正電流時上升到接近VCC=15V，但在CBS=1uF時下降到接近13V。這是由于電流方向不同的充電機(jī)制造成的。輸出電流為正時，電流要么流經(jīng)高端MOSFET，要么流經(jīng)低端體二極管。此時，低端體二極管導(dǎo)通時，自舉電容CBS充電。如果充電過程中體二極管電壓VSD不高于自舉二極管的正向壓降，則MOSFET IPM中的充電峰值電壓將略低于VCC電源。輸出電流為負(fù)時，當(dāng)?shù)投薓OSFET作為有源開關(guān)器件時，充電電壓將下降到與MOSFET的正向壓降一樣多。但是，自舉電壓是高端MOSFET的柵極驅(qū)動電源，只有當(dāng)電流為正時才至關(guān)重要。當(dāng)電流為正時，由于 MOSFET 的 VSD 較低，自舉電壓不會發(fā)生很大變化，因此無需使用大型自舉電容器。只有當(dāng)輸出電流為正時，才可以使用足以將自舉電壓保持在 HVIC 待機(jī)電流范圍內(nèi)的小型自舉電容器。在建議的 IPM 中，高端 UVLO 的設(shè)計(jì)典型值為 10V。
　　結(jié)論
　　我們介紹了一種新型超緊湊型表面貼裝 IPM，用于家用電器中的低功率 BLDC 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，其中主要關(guān)注的是耐用性、溫度保護(hù)、功率耗散、電磁干擾、抗噪聲和降低成本。盡管小型 MOSFET-IPM 已經(jīng)達(dá)到一定的成熟度，但仍有一些問題需要解決，以進(jìn)一步提高其性能并降低其成本。此外，IPM 技術(shù)及其應(yīng)用方面的進(jìn)步不斷開辟新的發(fā)展趨勢和工業(yè)興趣。預(yù)計(jì)所提出的 IPM 可以顯著增強(qiáng)逆變器板的簡易性和可靠性設(shè)計(jì)，并可以提供相當(dāng)經(jīng)濟(jì)高效的系統(tǒng)解決方案。

　

　　圖 11：過溫操作。（a）啟用 OT，（b）禁用 OT

　　

　　圖 12：自舉電容電壓的變化