V/I和I/V轉(zhuǎn)換另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是允許負(fù)VS電壓不再受電路閾值電壓支配。由于其獨(dú)特拓?fù)洌w兆半導(dǎo)體HVIC展示了出色噪聲免疫能力，能夠耐受高達(dá)50V/ns高dv/dt噪聲，并且擴(kuò)展負(fù)電壓運(yùn)作范圍，在VBS=15V左右達(dá)到VS=-10V。
LVIC負(fù)責(zé)所有保護(hù)功能及其向微控制器反饋。它保護(hù)電路檢測(cè)控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯(lián)電阻IGBT集電極電流，并在錯(cuò)誤狀態(tài)中斷IGBT操作。有關(guān)保護(hù)應(yīng)該不受溫度和電源電壓影響。例如在表1中給出了LVIC中過電流保護(hù)探測(cè)電平。
表1. LVIC (典型值0.5V) 過電流探測(cè)電平
錯(cuò)誤信號(hào)用于通知系統(tǒng)控制器保護(hù)功能是否已經(jīng)激活。錯(cuò)誤信號(hào)輸出是在低電平有效集電極開路配置。它一般通過上拉電阻被拉升至3.3V到15V。當(dāng)錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，錯(cuò)誤線拉低，低邊IGBT所有柵極被中斷。如果錯(cuò)誤是過電流引起，輸出則出現(xiàn)一個(gè)脈沖，然后自動(dòng)復(fù)位。首選低信號(hào)持續(xù)時(shí)間取決于它應(yīng)用。例如，對(duì)于家電首選幾毫秒，但是在工業(yè)應(yīng)用中首選一至兩倍IGBT開關(guān)頻率。SPMLVIC提供外部電容，并根據(jù)各種要求設(shè)定該持續(xù)時(shí)間。
自舉二極管
除了基本三相逆變器拓?fù)?，更多集成是半?dǎo)體公司面臨挑戰(zhàn)之一。約束不是技術(shù)問題，受限是成本和封裝尺寸。從這一點(diǎn)來看，自舉二極管似乎成為集成合適器件。實(shí)際上，市場(chǎng)上已出現(xiàn)了數(shù)種內(nèi)置自舉二極管產(chǎn)品，但是從技術(shù)角度來看，其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上高壓結(jié)終止區(qū)域作為自舉二極管。其應(yīng)用局限于額定值在100W以下低功率應(yīng)用，因?yàn)檫@種方式具有較大正向壓降和較差動(dòng)態(tài)特性。功率在400W左右時(shí)，采用分立FRD作為自舉二極管，但是由于其封裝尺寸有限，沒有串聯(lián)電阻(RBS)，因此需要對(duì)大充電流進(jìn)行特殊處理，尤其在初始充電期間。在高于400W應(yīng)用中，最常見應(yīng)用是將分立FRD和分立電阻進(jìn)行組合。這種方式唯一缺點(diǎn)是占用空間較大和相應(yīng)成本增高。
在SPM開發(fā)中，采用了新設(shè)計(jì)自舉二極管，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小芯片尺寸和獲得適中正向壓降，以得到20Ω串聯(lián)電阻等效作用。如圖4所示，其壓降特性等同于串聯(lián)電阻和普通FRD。借助于這種特殊自舉二極管優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)更多集成同時(shí)保持最低成本。
圖4. 內(nèi)置自舉二極管正向壓降
封裝
開發(fā)SPM封裝主要因素是改善性價(jià)比，同時(shí)提升熱循環(huán)和功率循環(huán)等封裝可靠性。因此，以往用于IC和LSI產(chǎn)品轉(zhuǎn)模封裝技術(shù)被用于功率模塊。與具有塑料或環(huán)氧樹脂外殼普通功率模塊相比，SPM具有相對(duì)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)：功率芯片和IC安裝在銅引線框架上，基底材料與框架連接，最后在環(huán)氧樹脂中模塑成型。
在封裝設(shè)計(jì)中散熱是重要問題，因?yàn)樗鼪Q定了模塊功率容量限制，且與隔離特性有著很大折衷平衡關(guān)系。轉(zhuǎn)模封裝SPM系列根據(jù)功率額定值和應(yīng)用，采用幾種隔離基底，如表2所示。
表2. SPM系列封裝基底
借助現(xiàn)有可變形基底優(yōu)點(diǎn)，可在Mini-DIP SPM封裝中實(shí)現(xiàn)600V 3A到30A功率額定值，同時(shí)保持PCB管腳布局和價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力，如圖5所示。
圖5. 不同電流額定值下SPM產(chǎn)品系列結(jié)和外殼之間熱阻
除了更高可靠性和熱性能之外，制定模式靈活性是DBC(直接相連銅)基底另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這樣可以針對(duì)多種應(yīng)用提供派生產(chǎn)品，比如功率因數(shù)校正、開關(guān)磁阻電機(jī)等，在此只需改變DBC，而其它封裝要素保持不變。
DBC大批量生產(chǎn)還存在幾個(gè)有待解決技術(shù)問題，采用絲網(wǎng)印刷、多芯片安裝技術(shù)以及傳送帶回流焊和助焊劑清理工藝，開發(fā)DBC基底和引線框架多芯片安裝和連接技術(shù)。通過回流焊溫度曲線調(diào)整，獲得接近零焊接空洞，增加熔解區(qū)域之間溫度斜坡，優(yōu)化焊料和絲網(wǎng)印刷掩模設(shè)計(jì)。通過模擬和實(shí)驗(yàn)方法，調(diào)適封裝熱翹曲以優(yōu)化DBC基底銅層厚度。
結(jié)論
受到成本因素約束，SPM設(shè)計(jì)所需綜合技術(shù)包括功率器件、驅(qū)動(dòng)器IC、封裝以及系統(tǒng)優(yōu)化。對(duì)于實(shí)際批量生產(chǎn)，組裝和測(cè)試也是非常重要。目前，SPM已將自身定位于最強(qiáng)大低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器解決方案，而其發(fā)展將會(huì)越來越快。
