摘要:敘述了具有集成驅(qū)動、保護和系統(tǒng)控制功能的智能功率模塊FSBB20CH60，對其實施了隔離式的外驅(qū)動設(shè)計,實現(xiàn)了一種高性能功率模塊。將其應(yīng)用于變頻空調(diào)，降低了成本，提高了可靠性。目前已投入批量生產(chǎn)，取得了預期的效果。

     關(guān)鍵詞:智能功率模塊；門極驅(qū)動；電平移位；自舉；變頻空調(diào)

A High Performance Power Module Based on FSBB20CH60

SHAOMingshuang, SUNJun

(School of Electronics & Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030,China)

     Abstract:An advanced smart power module (SPM) FSBB20CH60 that has the functions of integrated driven,protection and systemcontrol is introduced. With external driven design,a high performance power modul eis realiged. This kind of module is been used to inverter AirCON. The cost had reduced and the performance had improved. Up to now it has been put into production and acquires anticipated effect.

     Key words:SPM; gate driving; level shifter; bootstrap; inverter aircon

0 引言

     變頻空調(diào)的逆變器核心功率級電路———智能功率模塊的成本雖然相對較高，但仍以其高可靠性和良好的一致性在大批量生產(chǎn)中獲到了極廣泛的應(yīng)用。

1 智能功率模塊的一般特點

     智能功率模塊是電力電子集成電路的一種，集功率器件（IGBT）、驅(qū)動電路和保護功能于一體，內(nèi)部含有門極驅(qū)動控制、故障檢測和多種保護電路，其核心器件是IGBT。智能功率模塊與以往IGBT模塊及驅(qū)動電路的組件相比具有許多優(yōu)點：

     1）內(nèi)含驅(qū)動電路，保證IGBT最佳驅(qū)動條件；

     2）內(nèi)含過電流保護（OC）、短路保護（SC）；

     3）內(nèi)含驅(qū)動電源欠壓保護（UV）；

     4）內(nèi)含低損耗IGBT和續(xù)流二極管；

     5）信號輸入端兼容3.3/5VCMOS/LSTTL電平；

     6）寬的輸入電壓范圍；

     7）內(nèi)含過熱保護；

     8）內(nèi)含故障輸出（Fo），向外部輸出故障信號，當下橋臂OC、UV保護動作時，通過向控制智能功率模塊的微處理器輸出故障信號，實現(xiàn)系統(tǒng)保護。

     以上是智能功率模塊的一般特點，對于具體不同型號的智能功率模塊，其內(nèi)部所集成的功能可能有所差異，但一般都具有上述特點。

2 FSBB20CH60的特點

     為了滿足人們對低噪聲、高性能、小型化、輕量化不斷增長的要求及花最小的代價獲得最佳的性能和精確的控制。飛兆半導體公司推出了新一代的智能功率模塊FSBB20CH60，它除了具有上述一般智能功率模塊的優(yōu)點外，還具有下列特點：

     1）上橋臂驅(qū)動器電源使用自舉（Bootstrap）電源技術(shù)，全部驅(qū)動共用一個電源；

     2）內(nèi)含隔離高壓的快速電平移位電路（level shifter）；

     3）由于采用了DBC技術(shù)，因而熱阻極?。?/p>

     4）3 個獨立N 極接線端子結(jié)構(gòu)，用戶可方便、高效地檢測各相的負載電流，從而實現(xiàn)高效率、低成本電機驅(qū)動算法；

     5）輸入端信號高電平有效，更有利于與CPU的控制連接；

     6）控制信號不需要光耦隔離；

     7）高壓側(cè)外接柵極電阻能讓設(shè)計人員調(diào)節(jié)SPM的開關(guān)速度，此舉有助于降低開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，并且減小電壓應(yīng)力(可能在極端條件下引起HVIC閉鎖)。

FSBB20CH60 的內(nèi)部電路如圖1 所示^[1]，圖1 中上面的3 個高壓集成電路HVIC1-HVIC3 驅(qū)動三相橋臂的上管，下面的LVIC驅(qū)動三相橋臂的下管。其中，HVIC1～HVIC3 中集成了輸入PWM 信號整形電路、電平移位電路、欠壓保護電路、IGBT驅(qū)動電路，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

     新一代智能功率模塊的最大特點就是實現(xiàn)了單電源驅(qū)動，其核心技術(shù)就是驅(qū)動電源采用自舉電源技術(shù)和電平移位電路。由于SPM內(nèi)部建立起了電平移位電路，從而省去了光耦，并且允許6 個輸入控制端直接連接CPU/DSP。其原理示意圖如圖3 所示，工作原理分析如下：當輸入脈沖信號為"1"時，經(jīng)過脈沖鑒別器確認，且此時無欠壓發(fā)生，閂鎖邏輯電路上端輸出為"1"，下端輸出為"0"，此時，V1導通，V2關(guān)斷，IGBT1的門極驅(qū)動電壓為+15V，IGBT1導通，IGBT2關(guān)斷；反之，當輸入脈沖信號為"0"時，IGBT1 關(guān)斷，IGBT2導通。自舉電源由圖3中的電阻R1、自舉二極管D1和自舉電容C1組成，當下橋臂IGBT2導通時，自舉電容C1通過R1和D1充電，這里必須保證C1首次充電時，IGBT2導通一定的時間，使得C1充電充分，這樣C1兩端的電壓保持為+15V，足夠驅(qū)動上橋臂的IGBT1，通過這種自舉電源技術(shù)，允許IGBT1的源端在P、N之間浮動。

     智能功率模塊外圍電路的設(shè)計同以往非單電源智能功率模塊的外圍電路的設(shè)計有所不同，由于采用單電源模塊實現(xiàn)共地系統(tǒng)，MCU 發(fā)出的6 路PWM 脈沖信號都不需要經(jīng)過光耦隔離就可以直接連接到SPM相應(yīng)的引腳[2]。另外，智能功率模塊需要有自舉電源電路，其中自舉二極管需要選擇反向恢復時間短的快速二極管，自舉電容需要選擇容量在10μF 以上的電解電容，以保證自舉電源能有效可靠地工作。

     在變頻空調(diào)中由于強弱電的存在，考慮到安全性，現(xiàn)在仍普遍采用隔離方案?；诖?，本次設(shè)計采用光耦隔離方式，設(shè)計出了一種高性能功率模塊。這種模塊化的設(shè)計，有利于整個系統(tǒng)的匹配。

3 高性能功率模塊的設(shè)計

     在高性能功率模塊的設(shè)計過程中有幾個需要注意的關(guān)鍵問題：首先在模塊設(shè)計時就要考慮其安全性，即模塊單獨上電時，其自身的安全，由于模塊為輸入高電平有效，因此，常態(tài)下應(yīng)確保模塊輸入端為低電平; 其次要注意印制電路板的線間電氣間隙和整體布局，以確保電路板的安全和抗EMI的能力;最后還要考慮與整個系統(tǒng)之間的配合。

3.1 故障輸出電路的設(shè)計

     功率級電路中，高性能功率模塊自身保護是很重要的，尤其是短路保護。因此用于短路電流檢測的功率電阻的選擇就至關(guān)重要，其大小選擇主要是依據(jù)模塊內(nèi)部保護電流值的大小進行選擇。SPM短路觸發(fā)電平為0.5 V左右、這里設(shè)定瞬時電流保護值為34 A，經(jīng)計算選擇阻值為0.015Ω，功率為10 W的無感電阻。

     為了使功能率模塊安全工作還需要設(shè)計輔助的保護電路，如過/欠壓保護電路、過流保護電路等。

     SPM 模塊自身具有短路，過流、過熱、欠壓保護等功能，一旦SPM 受損自身實行保護，則通過其VFO口輸出保護信號，并由C8作保持保護信號的脈寬設(shè)定（參見圖4）。具體關(guān)系為tFOD=CFOD/(18.3×10^-6) s，SPM輸出的保護信號經(jīng)IC7光耦隔離、再經(jīng)三級管Q1跟隨后輸出到室外板CPU 的模塊保護輸入口，最終實施SPM模塊保護，即起到了保護整個高性能模塊的作用。模塊過流保護外置限流電阻為R21。R22、C9構(gòu)成RC濾波取樣，故障相應(yīng)速度的快慢即由它們組成的RC電路的時間常數(shù)決定。

3.2 外部隔離驅(qū)動設(shè)計

     在驅(qū)動電路的設(shè)計中，先就單個IGBT 驅(qū)動進行調(diào)試，然后再對上下管進行配對調(diào)試，最后進行整體的調(diào)試。具體的SPM模塊采用的是飛兆單電源模塊FSBB20CH60，電路如圖4 所示。其驅(qū)動信號由室外板CPU 輸出，經(jīng)IC1~IC6 光耦隔離，由Q11~Q16 三極管反相后輸入到SPM模塊UP、VP、WP、Un、Vn、Wn控制端。R43~R48為光耦I(lǐng)C1~IC6輸入的限流電阻，每一路都使用了一個普通三極管和一個普通光耦相連接，代替一高速光耦；同時為達到提高響應(yīng)速度的目的，平常使三極管工作在臨界飽和狀態(tài)，以補償由于光耦開通和關(guān)斷時間的離散性而導致的6 路驅(qū)動信號之間的不平衡；減小光耦的輸入端電阻，以達到提高光耦的響應(yīng)速度；R33~R36 分別為光耦I(lǐng)C1~IC3 輸出的偏置電阻，R37~R42 分別為三極管反相器Q11~Q16 的偏置電阻，C21~C26為高頻噪聲吸收電容。SPM 內(nèi)部由6 只IGBT構(gòu)成的具有上下橋臂的三相橋式電路，根據(jù)CPU 的驅(qū)動信號按順序和時序輪流導通，實行對直流線線電壓Vpn 進行斬波，調(diào)制成壓縮機運轉(zhuǎn)所需的電源，再經(jīng)SPM 的U、V、W 三相輸出端輸出加到壓縮機電動機端子上，使壓縮機按照設(shè)定要求，進行變頻調(diào)速。

     在設(shè)計中要注意將單獨一路信號的驅(qū)動延時限制在適當?shù)姆秶?，以利于程序的控制。同時注意上下管的驅(qū)動信號之間要有合適的死區(qū)時間，防止在程序運行過程中其上下管出現(xiàn)直通現(xiàn)象。

外接的IGBT 內(nèi)部驅(qū)動電阻的選擇，如圖4 中R97、R98、R99，適當增大它們的阻值可以有效減少dv/dt，從而減小由此造成的EMI噪聲。但也應(yīng)考慮驅(qū)動能力的要求，本設(shè)計電阻選用5.6Ω。

3.3 與壓縮機控制電路的接口設(shè)計

     SPM 模塊驅(qū)動及壓縮機控制信號有六相，分別由CPU 的6 個腳單獨輸出，經(jīng)R43~R48 限流輸至SPM 模塊的外圍電路驅(qū)動控制端。室外機CPU 根據(jù)系統(tǒng)需求輸出作用于SPM 模塊調(diào)制的SPWM 驅(qū)動信號，以滿足給壓縮機提供的變頻電源，實現(xiàn)調(diào)速。如果SPM 六相驅(qū)動信號發(fā)生某相丟失，會造成壓縮機啟動困難或缺相運行，從而導致壓縮機因電流增大而產(chǎn)生過熱。這時，SPM 模塊自身具有的過流等保護功能立即動作，并輸出負脈沖，然后經(jīng)由光耦的隔離作用和三極管的跟隨放大，并通過專用口反饋到CPU 的指定中斷腳。CPU 即發(fā)出指令對整個系統(tǒng)進行關(guān)斷，而防止高性能功率模塊和壓縮機的損毀。其中，C10 為高頻噪聲吸收電容，R23 為光耦的輸入偏置電阻。

     注意故障信號和控制部分的信號之間的連接，以確保在連線不良和正常出現(xiàn)故障時都能及時報警，防止模塊的損壞。

3.4 電源組件

     為了保證高、低壓工作的正常隔離，高性能功率模塊的電源采用一般的反激式開關(guān)電源，分別為SPM提供一路+15V和兩路+5V 的隔離直流輸出電壓，同時要注意電源的供電能力，保證電路在比較惡劣的環(huán)境中能夠正常的工作。電源組件的設(shè)計此處略，具體可參見其它有關(guān)資料^[3~4]。

3.5 電源自舉電路的設(shè)計

     高性能功率模塊屬于單電源模塊，即SPM 模塊所用工作電源共用一路+15V電源，并由外加的三路自舉電路來實現(xiàn)SPW 模塊內(nèi)IGBT 上橋臂的高壓絕緣與高速的電平轉(zhuǎn)換，三路自舉電路分別有D6、E9、C5、R18，D7、E10、C6、R19，D8、E11、C7、R20組成。在設(shè)計過程中，已考慮到電解電容的選取與程序控制算法的配合。

4 參數(shù)優(yōu)化及試驗結(jié)果

     根據(jù)以上分析設(shè)計了最大輸出功率達2.4 kW 的高性能功率模塊。其中，輸入電壓范圍Vin=150~250 V（AC），輸出相電流12 A。

在進行試驗時發(fā)現(xiàn)以下問題：

     1）將其應(yīng)用于直流變轉(zhuǎn)速空調(diào)(美芝壓縮機型號HD187X1-S12FD)，模塊工作正常，而將其應(yīng)用于交流變頻空調(diào)（美芝壓縮機型號BG130X1C-20FZ）則會出現(xiàn)開機保護的現(xiàn)象；

     2）做高溫高濕（溫度55℃，濕度95%）滿負載試驗時，出現(xiàn)模塊溫升過高的現(xiàn)象。

這說明原理性計算與實際參數(shù)配置存在著差距，必須進行某些參數(shù)調(diào)整，通過多次試驗，調(diào)整方法總結(jié)如下：

     1）消除開機時的瞬時電流保護一是在電流檢測電阻R21上并聯(lián)一個小電容；二是適當延長故障保護的響應(yīng)速度即加大(R22×C9)的時間常數(shù)。但以上措施的采取會增大模塊自身損壞的風險，應(yīng)綜合考慮。

     2）減小模塊溫升過高適當減小來自控制輸入端的消噪電容C91~C95；適當減小輸入到模塊的高頻噪聲吸收電容C21~C26。但上述電容不宜過分減小，否則會導致模塊的抗干擾能力下降，要權(quán)衡利弊。

     按上述方法重新調(diào)整個別元件參數(shù), 結(jié)果獲得了良好的效果，消除了開機時的瞬時電流保護，降低了模塊的溫升。

     參數(shù)調(diào)整前后輸入到SPW 的驅(qū)動電壓波形如圖5所示。由圖5(a)與圖5(b)可以看出，參數(shù)調(diào)整后的輸入電壓較調(diào)整前失真得到明顯改善，脈沖上升/ 下降沿更陡峭，這說明參數(shù)調(diào)整比較理想。

試驗還就由高性能模塊組成的整機的騷擾電壓、騷擾功率等進行了測試，各項性能指標符合要求。

5 結(jié)論

     目前，該高性能功率模塊在應(yīng)用于交、直流變頻空調(diào)中,具有很好的適應(yīng)性，整機各項性能指標符合設(shè)計要求，并已經(jīng)投入小批量生產(chǎn)，隨著它的優(yōu)越性進一步被市場檢驗，必將得到越來越多的應(yīng)用。