基于SPM3智能功率模块的电机驱动研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇基于SPM3智能功率模块的电机驱动研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【摘要】FSBB30CH60CT是飞兆半导体新开发的先进Motion spm3系列产品，为低功率应用（如空调、洗衣机）中的电机驱动提供了紧凑且高性能的逆变器解决方案。文中叙述了模块的工作原理及其驱动电路设计。
【关键词】智能功率模块;SPM;FSBB30CH60CT;自举电路
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
电机是各种电设备中的用电大户，随着节能成为全球关注的焦点，因此，提高电机能效成为重点研究技术。要降低能耗就要求把电机的驱动和控制做得更精密，更智能。通过功率模块的控制，可以实现“弱电”控制“强电”，达到驱动电机的目的。功率模块根据频率变化来控制电机的转速，从而实现节能，一般可以节能30%左右。
专注于功率半导体的飞兆半导体公司（Fairchild
Semiconductor Corporation）是一个热衷推动绿色节能的企业，其推出的智能功率模块（Smart Power Module，SPM）产品FSBB30CH60CT（Motion SPM3系列产品之一）为低功率应用（如空调、洗衣机）中的电机驱动提供了紧凑且高性能的逆变器解决方案。
1.FSBB30CH60CT的主要性能
Motion-SPM是一款超小型集成功率模块，采用双列直插式移模封装，内部集成了功率部件、上下桥臂栅极驱动器及保护电路，用于驱动AC100-220V低功耗电机。FSBB30CH60CT是其系列产品之一，组合了优化的电路保护和驱动功能，匹配低损耗IGBT，同时将欠压闭锁和过流保护功能集于一体，增强了系统可靠性。内部集成高速高压电路（HVIC）为无光电耦合、单电源IGBT门极驱动提供了可能，并缩减了逆变器系统的体积。
其内部等效电路与输入/输出引脚如图1所示。可以看出，它是由一个三相IGBT逆变器电路功率模块和四个用于控制功能的驱动IC组成。逆变器低端由三个配有续流二极管的IGBT组成，包括一个具有门极驱动控制和保护功能的集成电路（IC）。逆变器高端由三个配有续流二极管的IGBT组成，每个IGBT分别由一个集成电路（IC）驱动。逆变器的功率端是由逆变器的四个直流输入端和三个输出端组成。
1.1 主要特性
（1）使用Al2O3 DBC技术，热阻很低。
（2）采用内置自举二极管，PCB布局简单便捷。
（3）600V-30A三相IGBT逆变桥（包含用于门极驱动和保护的控制IC）。
（4）三个独立负直流链路端子，用于实现逆变器的电流检测。
（5）单接地电源，实现内置HVIC。
（6）绝缘等级为2500Vrms/min。
1.2 封装形式
FSBB30CH60CT采用覆铜陶瓷基板（DBC）封装（如图2），这是一种特殊工艺，即在高温下将铜箔直接键合到氧化铝（AL2O3）或氮化铝（ALN）陶瓷基片表面（单面或双面）。所制成的超薄复合基板电绝缘性能好，导热特性高，软钎焊性优异，附着强度高，同PCB板一样能蚀刻出各种图形，具有很大的载流能力，最高载流量可达100安培/毫米。
这种DBC封装，不仅提高了功率密度，而且使得在独立封装中实现三相逆变器、SRM驱动器和功率因数校正等成为可能。
2.驱动控制设计
实际应用中，智能功率模块FSBB30CH60CT是CPU与电机之间的功率接口。使用FSBB30CH60CT设计的驱动无刷直流电机控制电路如图3所示。
图1 FSBB30CH60CT的内部等效电路图
图2 FSBB30CH60CT的封装示意图
图3 实际应用驱动电路
功率模块FSBB30CH60CT内部集成了一个专用HVIC，因此无需任何光耦合器或变压器隔离，其控制信号可直接与CPU相连，即允许6个输入控制端直接连接CPU。这里采用了RC耦合电路，目的是防止信号震荡，RC时间常数选择在50150ns，耦合电路中R9R15采用100Ω，C17C23采用1nF。
SPM模块的6脚VFO是故障输出报警引脚，当SPM发生短路电流保护或欠压闭锁时，就会通过该脚输出低电平。VFO输出为集电极开路输出，因此需要一个约4.7kΩ的上拉电阻。VFO输出的脉冲宽度取决于连接在CFOD（引脚7）和COM之间的外部电容C24，计算公式为，通常取C24为33nF，则为1.8ms。
SPM的应用为减小电机体积并简化设计提供了可能。与分立式解决方案相比，其寄生电感更小，可靠性也更高。
3.自举电路设计
SPM功率模块的驱动电路采用单电源供电，为保证控制电源能够为P侧功率器件提供正确的门极偏置电压，同时保证直流母线上的高压不致串到控制电源电路而烧坏元器件。这里采用自举电路给高压栅极驱动集成电路（IC）的高端栅极驱动电路供电。
3.1 自举电路工作原理
为SPM内的HVIC提供电源的是电压VBS（VB与VS的电压差）。这个电压的大小必须控制在13.018.5V，以保证HVIC能够完全驱动高端IGBT1。通过自举电源可产生VBS浮动电压，自举电源电路由一个自举二极管（DBS）、电阻（RBS）和电容（CBS）组成，如图4所示。当IGBT2开通时，VS通过地低端器件或负载被下拉到地端，VCC电源经过自举二极管（DBS）和电阻（RBS）对自举电容器（CBS）充电，电流的流经路线如图4中虚线所示。这样自举电容CBS端电压可保持在VCC，使得关闭IGBT2时，足够驱动IGBT1。初次自举充电时，低端IGBT导通时间要足够长，才能对自举电容完全充电。
图4 自举电路工作原理图
3.2 自举电路参数设计
在图3的应用电路中有三路自举电路，共用了一个电阻R8，由R8、D5、C9组成其中一路自举电路。当高端IGBT或二极管导电时，自举二极管承受整个母线电压。在功率模块FSBB30CH60CT中，电源的最大额定值为450V，加上浪涌电压50V，施加在二极管上的实际电压为500V。考虑100V的余量，自举二极管所承受的电压应大于600V，因此，选用反向耐压峰值为600V的快速二极管RS1J。
自举电容的大小可根据以下公式计算：
上式中为CBS最大放电电流，为高端IGBT的最大导通脉冲宽度，为CBS允许的放电电压。而IGBT的最大导通脉宽由PWM载波频率和最大占空比决定。考虑离散性和可靠性，实际选择的自举电容一般是计算值的2～3倍。例如若系统PWM载波频率为8KHz，最大占空比为80%，则上桥臂最大导通时间为100s，选定ΔV=1V，=1mA，通过上式计算得到电容为0.1F，实际应用中可选择。
自举电阻R8与自举电容共同决定了自举充电时间常数，同时R8还取决于外部门极电阻R5、R6、R7，可通过调节R5、R6、R7的阻值控制上桥臂IGBT开关过程中的dv/dt。因此为了避免外部门极电阻上的电压降超过上桥臂功率器件门限电压，通常选用的自举电阻阻值为外部门极电阻的三倍以上。
4.短路电流保护电路
功率级电路中，高性能功率模块自身保护是很重要的，尤其是短路保护。SPM短路触发电平为0.5V左右，当SPM检测出8脚（Csc）的电压超过0.5V时，将产生一个故障信号，通过6脚VFO故障输出报警引脚输出。SPM具有内置短路电流保护功能，因此用于短路电流检测的功率电阻的选择就至关重要。在图3所示应用电路中，SPM通过电阻R14来检测N侧直流环节的线路电流，其大小选择主要是依据模块内部保护电流值的大小进行选择。SPM短路触发电平为0.5V左右，这里设定瞬时电流保护值为40A，经计算选择阻值为0.0125Ω，功率为10W的无感电阻。另外检测电阻R14需要并联一个小电容，用来消除上电瞬时大电流导致的电流保护误操作。
R17、C25构成滤波电路，RC的时间常数取决于实际应用中的噪声持续时间和芯片的短路电流耐受时间，为了确保安全的短路保护，应控制时间常数在1s左右。
5.小结
相比于分立元件组合模式，智能功率模块是将功率器件（IGBT）及其驱动电路和保护功能集于一体的功率集成电路，其内部包含了门极驱动电路、过电流保护（OC）、短路保护（SC）、欠压保护（UV）等多种保护电路以及故障检测等。测试结果表明，模块在可重复性、可靠性及性能方面均优于等同的分立元件产品。
目前，许多诸如洗衣机、空调等家电产品中已经使用该高性能功率模块，使用效果良好，并降低了电机的能效，达到了节能的目的。随着它的优越性进一步被市场检验，必将得到越来越广泛的应用。
参考文献
[1]FAIRCHILD SEMICONDUCTOR FSBB30CH60CT[EB/OL].http：//.
[2]Fairchild Smart Power Module User’ s Guide[EB/OL].http：//.
[3]周志敏.IGBT和IPM及其应用电路[M].北京：人民邮电出版，2006.
江苏省高等职业院校国内高级访问学者计划资助项目（2013）。