开发用于小型功率逆变器系统的MOSFET模块

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近年来，市场对于高性能和高效率的逆变器驱动设备需求飞速增长。今天，直流无刷(BLDC)电机已用于许多消费电子设备中，如：变频空调、洗衣机和风扇电机等，使它们较采用开关控制的交流感应电机速度更快、噪声更低及能效更高。这个进步得以实现的关键之一，在于采用了逆变技术，特别是集成功率模块。目前，集成功率开关及其门驱动电路的功率模块能提供紧凑、可靠和具成本效益的逆变器解决方案，而市场对这类功率模块的需求正急剧上升。SPM(智能功率模组)系列遂应运而生，能支持消费市场的设计需求，提供更高性能。

对小型电机驱动应用如空调、空气净化器、干燥机和洗碗机等，飞兆半导体已开发出金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)逆变器模块，可覆盖高达0.1 kW的BLDC应用。众所周知，在这类小功率应用中，MOSFET比绝缘栅双极晶体管(IGBT)更为适合。此外，MOSFET的体二极管可被用作逆变器不可缺少的快速恢复二极管(FRD)，以减少元件数目及降低驱动系统成本。本文讨论了全新SPM系列mosfet逆变器模块(Tiny-DIP封装的Motion-SPM)的最新发展，能用于小功率BLDC电机驱动系统。

实现高功率密度的封装

这种Motion-SPM在全包封装的转模(Transfer molded)封装中集成了6个MOSFET和3个专用于MOSFET的半桥HVIC，如图1所示。它使用了和常规集成电路封装相同的转模工艺进行制造。功率MOSFET和HVIC裸片粘接在铜引线框架上。由于其额定电流很小，用于信号和电源路径的电气互连都采用直径相同的金线制作以缩短键合工艺流程，从而实现精简的生产过程。

封装设计的主要问题是热性能。对于小功率电机，目前的趋势是使用内置驱动器。内置电机在其电机底盘中装载了控制电路，可以减小系统的物理尺寸且便于配线。当然，这个控制电路包括了逆变器模块。因此，小功率应用的主要需求是紧凑性及提供所需的功率，这就要求模块具有最大的功率密度。举例说，如果100W电机的能源效率通常为85%，所需的电源便是117W。若逆变器的效率为95%，那么功率模组便只有6W的功耗。也就是说，功率模块必须能承受6W的功耗而不会超出允许的系统外壳温度或结温（器件的有源区温度称为结温），同时在给定的环境条件和允许的散热器尺寸下具备最紧凑的封装。因此，功率密度在内置电机驱动系统中尤其重要。

除了热性能外，封装还需要具备1分钟1.5 kV的隔离电压、机械硬度，以及对环境因素如湿度、温度和压力的抗扰性。在Tiny-DIP封装的热设计中，这些需求和机械限制都被包括到热传输的有限元分析(FEA)仿真中，即把功率开关的热相互作用都计算在内。通过这种仿真和验证实验，成型材料和封装厚度得以优化。

结果，按尺寸Motion-SPM能使用飞兆半导体500V/4A的MOSFET，允许5W～10W的功耗(取决于外部散热器的热传输条件)，并具备最小封装尺寸如图1(b)所示。

专用于电机驱动应用的硅芯片设计

如前所述，对于小功率应用，MOSFET比其它功率晶体管更佳。MOSFET的导通特性是阻性的，如图2(a)所示，传导损耗与漏极电流的平方成正比。因此，1A条件下的传导损耗可能比具有相同额定值IGBT的传导损耗少，因为IGBT在导通状态下具有阈值电压。由于具有反向特性，MOSFET固有的体二极管可用作快速恢复二极管(FRD)，通过电子辐照工艺实现良好的恢复特性。在空间有限的引线框架中，这样便能减少芯片所占的空间。和普通的快

速恢复二极管相比，MOSFET由于尺寸较大，因此具有很小的反向电压降，如图2(b)所示。鉴于MOSFET沟道本身是双向的，将MOSFET导通可以进一步降低电压降，这一点在逆变器的同步整流或再生模式中十分有用。MOSFET的另一个优点是其耐用性(ruggedness)比IGBT高得多，较其它具有相同额定值的器件能提供更大的安全工作区(SOA)。

然而，电机驱动应用中MOSFET的最大缺点是它的开关速度过快，这会增加电磁发设(EMI)。这特点在开关频率超过50 kHz的开关模式下其实非常有利，此时开关损耗是最大的考虑因素。不过，除了一些高精度系统外，电机驱动的开关频率一般在1 kHz～30 kHz之间。在这种应用中，减小EMI比减小开关损耗来得更加重要。逆变器的EMI随开关频率和输出电压变化率(dV/dt)成比例增加。因为这个原因，大多数用户都会选择较低开关频率和较慢开关速度的器件来缓解EMI的问题。传统的MOSFET便无法达到电机驱动系统的这种电气性能需求。

Motion-SPM MOSFET专为这类电机驱动系统而设计。这种SPM的电气设计目标是低噪声及低损耗。MOS的开关速度由寄生电容决定，MOSFET栅电压充电速度则由驱动电路(HVIC)内的栅极电阻决定。在任何情况下，稳定性和性能都是成反比的。在图3(a)所示的半桥电路中，如果上部MOSFET的关断栅阻抗(在HVTC内实现)很大，当下部的MOSFET导通时，可能会有由米勒电容(Miller Capacitor)Cgd引起的电流使MOSFET导通，称为dV/dt感应开通。

如图3(b)所见，这种异常行为将增加逆变器的开关损耗(导通损耗)，最终将限制额定功率并导致模块损坏。除了稳定性问题外，MOSFET栅极电阻还应由操作要求如死区时间(dead time)和延迟时间来确定。电压源逆变器死区时间使输出电压变小，因而降低电机的低速性能。随着开关频率的提高，问题变得更加严重。消费电子器件的正常开关频率为16kHz以上，以避免出现可听见的噪声，发展商则希望在其系统中使用更少的停滞时间。理论上的停滞时间限制(可能是控制器设置的最小值)可以计算如下：

Tdead = max (Toff,LS-Td(on), HS , Toff, HS-Td(on), LS)

这里Td(on) 是导通开关(从输入信号的50%到电流至导通值)的传播延迟，Toff是从输入信号的50%到换流(current commutation)结束期间的关断延迟。下标HS和LS分别代表高端和低端MOSFET。Td(on)长，就实现所需的停滞时间。但是，这不适合于通过监测直流环电流来测量相位电流的系统，因为当中的短导通延迟可能是关键需求。Motion-SPM可以达到1.5μs的最小停滞时间和的最差情况下2.5-μs的从信号输入到电流稳定化的导通延迟，同时具有低dV/dt特性，如图2(c)和(d)所示。

在MOSFET和SPM的HVIC设计中，栅极电阻、寄生电容和阈值电压都会选择性地调整，以便在应用系统的稳定性(dV/dt耐量、停滞时间等)及性能(EMI和延迟时间)方面取得最好的折衷平衡。

应用实例

在图4的仿真中，假设结温Tj 保持在125oC，这是Tiny-DIP封装Motion-SPM的最大绝对工作结温。通过仿真，当外壳温度控制在100oC并使用空间矢量调制(SVPWM)时，可以确定模组能输送Pout=100W以上的功率，允许功耗Pd=16W。基于这种了解，利用图5(a)所示作为应用例子的130-W BLDC电机(正弦反电动势，sinusoidal back-EMF)装置进行实验验明SPM的额定功率。输入/输出功率和逆变器效率都利用功率分析仪进行测量。这实验并利用了图5(b)所示的不连续PWM方法，这方法在BLDC应用中很普遍。而所使用散热器的有效表面面积约为100 cm2。使用这种散热器，散热器温度Tc = 62oC、环境温度Ta = 25oC，所产生的功耗为8.2W。结果，对普通的BLDC应用系统来说，SPM能传送150W的功率输出，效率达95%。

除了额定功率问题外，现场应用中最大的问题是来自异常的情况如浪涌噪声(surge noise)等。HVIC是采用电平移位元件以无电隔离方式(galvanic isolation)传输信号的栅极控制IC，由于其工作特性，一般很容易发生故障。例如，很容易产生极快的控制电源瞬变、输入信号的突然振荡、高端电源终端的大负电压等。按照产品规格说明，器件在这些情况都不能保证能正常工作。

此外，易受这些情况影响的器件也不可能在生产线的测试过程中全部筛选出来。因此，HVIC电路设计及其布局必须将这些情况也考虑在内。虽然其中一些问题可通过智能化和创新的电路设计来避免，但是，大部分问题都是由很难除去的寄生电路元素引起。比如，在大多数情况下，IC闩锁效应(latch-up)是由布局引起的，应当通过设计规则来避免。信号和电源引脚上的负电压可能会导致HVIC故障及损坏，从而毁掉整个逆变器系统。HVIC在Motion-SPM中的出现，就是希望能够在这些异常情况下把HVIC的故障和损坏减到最小。

用于更紧凑逆变器的智能功率模组

新的Tiny-DIP封装的Motion-SPM是具备成本效益的解决方案，针对额定功率比传统解决方案更高的紧凑型系统而设。它具有更高的智能和能源效率，适合内置电机使用，能取代100W及以下小功率电机驱动系统中所用的传统解决方案。