快捷半導體公司(韓國富川)/ Yo-Chan Son、Ki-Young Jang和Bum-Seok Suh
近年來，市場對於高性能和高效率的變頻器驅動設備需求飛速增長。今天，直流無刷(BLDC)馬達已用於許多消費電子設備中，如：變頻空調、洗衣機和風扇馬達等，使它們較採用開關控制的交流感應馬達速度更快、雜訊更低及能效更高。這個進步得以實現的關鍵之一，在於採用了逆變技術，特別是整合型功率模組。目前，整合型功率開關及其閘驅動電路的功率模組能提供緊湊、可靠和具成本效益的變頻器解決方案，而市場對這類功率模組的需求正急劇上升。SPM(智慧功率模組)系列遂應運而生，能支援消費市場的設計需求，提供更高性能。
對小型馬達驅動應用如空調、空氣淨化器、乾燥機和洗碗機等，快捷半導體已開發出金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)變頻器模組，可覆蓋高達0.1 kW的BLDC應用。眾所周知，在這類小功率應用中，MOSFET比絕緣閘雙極電晶體(IGBT)更為適合。此外，MOSFET的體二極體可被用作變頻器不可缺少的快速恢復二極體(FRD)，以減少元件數目及降低驅動系統成本。本文討論了全新SPM系列MOSFET變頻器模組(Tiny-DIP封裝的Motion-SPM)的最新發展，能用於小功率BLDC馬達驅動系統。
實現高功率密度的封裝
這種Motion-SPM在全包封裝的轉模(Transfer molded)封裝中整合了6個MOSFET和3個專用在MOSFET的半橋HVIC，如圖1所示。它使用了和常規積體電路封裝相同的轉模製程進行製造。功率MOSFET和HVIC裸片粘接在銅引線框架上。由於其額定電流很小，用於信號和電源路徑的電氣互連都採用直徑相同的金線製作以縮短鍵合製造流程，從而實現精簡的生產過程。
封裝設計的主要問題是熱性能。對於小功率馬達，目前的趨勢是使用內置驅動器。內置馬達在其馬達底盤中裝載了控制電路，可以減小系統的物理尺寸且便於配線。當然，這個控制電路包括了變頻器模組。因此，小功率應用的主要需求是緊湊性及提供所需的功率，這就要求模組具有最大的功率密度。舉例說，如果100-W馬達的能源效率通常為85%，所需的電源便是117W。若變頻器的效率為95%，那麼功率模組便只有6W的功耗。也就是說，功率模組必須能承受6W的功耗而不會超出允許的系統外殼溫度或結溫，同時在給定的環境條件和允許的散熱器尺寸下具備最緊湊的封裝。因此，功率密度在內置馬達驅動系統中尤其重要。
除了熱性能外，封裝還需要具備1分鐘1.5 kV的隔離電壓、機械硬度，以及對環境因素如濕度、溫度和壓力的抗擾性。在Tiny-DIP封裝的熱設計中，這些需求和機械限制都被包括到熱傳輸的有限元分析(FEA)模擬中，即把功率開關的熱相互作用都計算在內。通過這種模擬和驗證實驗，成型材料和封裝厚度得以優化。
結果，按尺寸Motion-SPM能使用快捷半導體500V/4A的MOSFET，允許5W～10W的功耗(取決於外部散熱器的熱傳輸條件)，並具備最小封裝尺寸如圖1(b)所示。
專用於馬達驅動應用的矽晶片設計
如前所述，對於小功率應用，MOSFET比其他功率電晶體更佳。MOSFET的導通特性是阻性的，如圖2(a)所示，傳導損耗與漏極電流的平方成正比。因此，1A條件下的傳導損耗可能比具有相同額定值IGBT的傳導損耗少，因為IGBT在導通狀態下具有臨界值電壓。由於具有反向特性，MOSFET固有的體二極體可用作快速恢復二極體(FRD)，通過電子輻照製程實現良好的恢復特性。在空間有限的引線框架中，這樣便能減少晶片所占的空間。和普通的快速恢復二極體相比，MOSFET由於尺寸較大，因此具有很小的反向電壓降，如圖2(b)所示。鑒於MOSFET溝道本身是雙向的，將MOSFET導通可以進一步降低電壓降，這一點在變頻器的同步整流或再生模式中十分有用。MOSFET的另一個優點是其耐用性(ruggedness)比IGBT高得多，較其他具有相同額定值的器件能提供更大的安全工作區(SOA)。
然而，馬達驅動應用中MOSFET的最大缺點是它的開關速度過快，這會增加電磁干擾(EMI)。這特點在開關頻率超過50 kHz的開關模式下其實非常有利，此時開關損耗是最大的考慮因素。不過，除了一些高精度系統外，馬達驅動的開關頻率一般在1 kHz～30 kHz之間。在這種應用中，減小EMI比減小開關損耗來得更加重要。變頻器的EMI隨開關頻率和輸出電壓變化率(dV/dt)成比例增加。因為這個原因，大多數用戶都會選擇較低開關頻率和較慢開關速度的元件來緩解EMI的問題。傳統的MOSFET便無法達到馬達驅動系統的這種電氣性能需求。
Motion-SPM MOSFET專為這類馬達驅動系統而設計。這種SPM的電氣設計目標是低雜訊及低損耗。MOS的開關速度由寄生電容決定，MOSFET閘電壓充電速度則由驅動電路(HVIC)內的閘極電阻決定。在任何情況下，穩定性和性能都是成反比的。在圖3(a)所示的半橋電路中，如果上部MOSFET的關斷閘阻抗(在HVTC內實現)很大，當下部的MOSFET導通時，可能會有由米勒電容(Miller Capacitor)Cgd引起的電流使MOSFET導通，稱為dV/dt感應開通。
如圖3(b)所見，這種異常行為將增加變頻器的開關損耗(導通損耗)，最終將限制額定功率並導致模組損壞。除了穩定性問題外，MOSFET閘極電阻還應由操作要求如死區時間(dead time)和延遲時間來確定。電壓源變頻器死區時間使輸出電壓變小，因而降低馬達的低速性能。隨著開關頻率的提高，問題變得更加嚴重。消費電子元件的正常開關頻率為16kHz以上，以避免出現可聽見的雜訊，發展商則希望在其系統中使用更少的停滯時間。理論上的停滯時間限制(可能是控制器設置的最小值)可以計算如下：
Tdead = max (Toff, LS – Td(on), HS , Toff, HS – Td(on), LS)
這裏Td(on) 是導通開關(從輸入信號的50%到電流至導通值)的傳播延遲，Toff是從輸入信號的50%到換流(current commutation)結束期間的關斷延遲。下標HS和LS分別代表高端和低端MOSFET。Td(on)長，就實現所需的停滯時間。但是，這不適合於通過監測直流環電流來測量相位電流的系統，因為當中的短導通延遲可能是關鍵需求。Motion-SPM可以達到1.5 s的最小停滯時間和的最差情況下2.5-s的從信號輸入到電流穩定化的導通延遲，同時具有低dV/dt特性，如圖2(c)和(d)所示。
在MOSFET和SPM的HVIC設計中，閘極電阻、寄生電容和臨界值電壓都會選擇性地調整，以便在應用系統的穩定性(dV/dt耐量、停滯時間等)及性能(EMI和延遲時間)方面取得最好的折衷平衡。
應用實例
在圖4的模擬中，假設結溫Tj 保持在125C，這是Tiny-DIP封裝Motion-SPM的最大絕對工作結溫。通過模擬，當外殼溫度控制在100C並使用空間向量調製(SVPWM)時，可以確定模組能輸送Pout=100W以上的功率，允許功耗Pd=16W。基於這種瞭解，利用圖5(a)所示作為應用例子的130-W BLDC馬達(正弦反電動勢，sinusoidal back-EMF)裝置進行實驗驗明SPM的額定功率。輸入/輸出功率和變頻器效率都利用功率分析儀進行測量。這實驗並利用了圖5(b)所示的不連續PWM方法，這方法在BLDC應用中很普遍。而所使用散熱器的有效表面面積約為100 cm2。使用這種散熱器，散熱器溫度Tc = 62C、環境溫度Ta = 25C，所產生的功耗為8.2W。結果，對普通的BLDC應用系統來說，SPM能傳送150W的功率輸出，效率達95%。
除了額定功率問題外，現場應用中最大的問題乃來自異常的情況如浪湧雜訊(surge noise)等。HVIC是採用電平移位元件以無電隔離方式(galvanic isolation)傳輸信號的閘極控制IC，由於其工作特性，一般很容易發生故障。例如，很容易產生極快的控制電源瞬變、輸入信號的突然振盪、高端電源終端的大負電壓等。按照產品規格說明，元件在這些情況都不能保證能正常工作。
此外，易受這些情況影響的元件也不可能在生產線的測試過程中全部篩選出來。因此，HVIC電路設計及其佈局必須將這些情況也考慮在內。雖然其中一些問題可通過智慧化和創新的電路設計來避免，但是，大部分問題都是由很難除去的寄生電路原素引起。比如，在大多數情況下，IC閂鎖效應(latch-up)是由佈局引起的，應當通過設計規則來避免。信號和電源引腳上的負電壓可能會導致HVIC故障及損壞，從而毀掉整個變頻器系統。HVIC在Motion-SPM中的出現，就是希望能夠在這些異常情況下把HVIC的故障和損壞減到最小。
用於更緊湊變頻器的智慧型功率模組
新的Tiny-DIP封裝的Motion-SPM是具備成本效益的解決方案，針對額定功率比傳統解決方案更高的緊湊型系統而設。它具有更高的智慧和能源效率，適合內置馬達使用，能取代100W及以下小功率馬達驅動系統中所用的傳統解決方案。
本文所示圖表內容請參見雜誌.
近年來，市場對於高性能和高效率的變頻器驅動設備需求飛速增長。今天，直流無刷(BLDC)馬達已用於許多消費電子設備中，如：變頻空調、洗衣機和風扇馬達等，使它們較採用開關控制的交流感應馬達速度更快、雜訊更低及能效更高。這個進步得以實現的關鍵之一，在於採用了逆變技術，特別是整合型功率模組。目前，整合型功率開關及其閘驅動電路的功率模組能提供緊湊、可靠和具成本效益的變頻器解決方案，而市場對這類功率模組的需求正急劇上升。SPM(智慧功率模組)系列遂應運而生，能支援消費市場的設計需求，提供更高性能。
對小型馬達驅動應用如空調、空氣淨化器、乾燥機和洗碗機等，快捷半導體已開發出金屬氧化物場效應電晶體(MOSFET)變頻器模組，可覆蓋高達0.1 kW的BLDC應用。眾所周知，在這類小功率應用中，MOSFET比絕緣閘雙極電晶體(IGBT)更為適合。此外，MOSFET的體二極體可被用作變頻器不可缺少的快速恢復二極體(FRD)，以減少元件數目及降低驅動系統成本。本文討論了全新SPM系列MOSFET變頻器模組(Tiny-DIP封裝的Motion-SPM)的最新發展，能用於小功率BLDC馬達驅動系統。
實現高功率密度的封裝
這種Motion-SPM在全包封裝的轉模(Transfer molded)封裝中整合了6個MOSFET和3個專用在MOSFET的半橋HVIC，如圖1所示。它使用了和常規積體電路封裝相同的轉模製程進行製造。功率MOSFET和HVIC裸片粘接在銅引線框架上。由於其額定電流很小，用於信號和電源路徑的電氣互連都採用直徑相同的金線製作以縮短鍵合製造流程，從而實現精簡的生產過程。
封裝設計的主要問題是熱性能。對於小功率馬達，目前的趨勢是使用內置驅動器。內置馬達在其馬達底盤中裝載了控制電路，可以減小系統的物理尺寸且便於配線。當然，這個控制電路包括了變頻器模組。因此，小功率應用的主要需求是緊湊性及提供所需的功率，這就要求模組具有最大的功率密度。舉例說，如果100-W馬達的能源效率通常為85%，所需的電源便是117W。若變頻器的效率為95%，那麼功率模組便只有6W的功耗。也就是說，功率模組必須能承受6W的功耗而不會超出允許的系統外殼溫度或結溫，同時在給定的環境條件和允許的散熱器尺寸下具備最緊湊的封裝。因此，功率密度在內置馬達驅動系統中尤其重要。
除了熱性能外，封裝還需要具備1分鐘1.5 kV的隔離電壓、機械硬度，以及對環境因素如濕度、溫度和壓力的抗擾性。在Tiny-DIP封裝的熱設計中，這些需求和機械限制都被包括到熱傳輸的有限元分析(FEA)模擬中，即把功率開關的熱相互作用都計算在內。通過這種模擬和驗證實驗，成型材料和封裝厚度得以優化。
結果，按尺寸Motion-SPM能使用快捷半導體500V/4A的MOSFET，允許5W～10W的功耗(取決於外部散熱器的熱傳輸條件)，並具備最小封裝尺寸如圖1(b)所示。
專用於馬達驅動應用的矽晶片設計
如前所述，對於小功率應用，MOSFET比其他功率電晶體更佳。MOSFET的導通特性是阻性的，如圖2(a)所示，傳導損耗與漏極電流的平方成正比。因此，1A條件下的傳導損耗可能比具有相同額定值IGBT的傳導損耗少，因為IGBT在導通狀態下具有臨界值電壓。由於具有反向特性，MOSFET固有的體二極體可用作快速恢復二極體(FRD)，通過電子輻照製程實現良好的恢復特性。在空間有限的引線框架中，這樣便能減少晶片所占的空間。和普通的快速恢復二極體相比，MOSFET由於尺寸較大，因此具有很小的反向電壓降，如圖2(b)所示。鑒於MOSFET溝道本身是雙向的，將MOSFET導通可以進一步降低電壓降，這一點在變頻器的同步整流或再生模式中十分有用。MOSFET的另一個優點是其耐用性(ruggedness)比IGBT高得多，較其他具有相同額定值的器件能提供更大的安全工作區(SOA)。
然而，馬達驅動應用中MOSFET的最大缺點是它的開關速度過快，這會增加電磁干擾(EMI)。這特點在開關頻率超過50 kHz的開關模式下其實非常有利，此時開關損耗是最大的考慮因素。不過，除了一些高精度系統外，馬達驅動的開關頻率一般在1 kHz～30 kHz之間。在這種應用中，減小EMI比減小開關損耗來得更加重要。變頻器的EMI隨開關頻率和輸出電壓變化率(dV/dt)成比例增加。因為這個原因，大多數用戶都會選擇較低開關頻率和較慢開關速度的元件來緩解EMI的問題。傳統的MOSFET便無法達到馬達驅動系統的這種電氣性能需求。
Motion-SPM MOSFET專為這類馬達驅動系統而設計。這種SPM的電氣設計目標是低雜訊及低損耗。MOS的開關速度由寄生電容決定，MOSFET閘電壓充電速度則由驅動電路(HVIC)內的閘極電阻決定。在任何情況下，穩定性和性能都是成反比的。在圖3(a)所示的半橋電路中，如果上部MOSFET的關斷閘阻抗(在HVTC內實現)很大，當下部的MOSFET導通時，可能會有由米勒電容(Miller Capacitor)Cgd引起的電流使MOSFET導通，稱為dV/dt感應開通。
如圖3(b)所見，這種異常行為將增加變頻器的開關損耗(導通損耗)，最終將限制額定功率並導致模組損壞。除了穩定性問題外，MOSFET閘極電阻還應由操作要求如死區時間(dead time)和延遲時間來確定。電壓源變頻器死區時間使輸出電壓變小，因而降低馬達的低速性能。隨著開關頻率的提高，問題變得更加嚴重。消費電子元件的正常開關頻率為16kHz以上，以避免出現可聽見的雜訊，發展商則希望在其系統中使用更少的停滯時間。理論上的停滯時間限制(可能是控制器設置的最小值)可以計算如下：
Tdead = max (Toff, LS – Td(on), HS , Toff, HS – Td(on), LS)
這裏Td(on) 是導通開關(從輸入信號的50%到電流至導通值)的傳播延遲，Toff是從輸入信號的50%到換流(current commutation)結束期間的關斷延遲。下標HS和LS分別代表高端和低端MOSFET。Td(on)長，就實現所需的停滯時間。但是，這不適合於通過監測直流環電流來測量相位電流的系統，因為當中的短導通延遲可能是關鍵需求。Motion-SPM可以達到1.5 s的最小停滯時間和的最差情況下2.5-s的從信號輸入到電流穩定化的導通延遲，同時具有低dV/dt特性，如圖2(c)和(d)所示。
在MOSFET和SPM的HVIC設計中，閘極電阻、寄生電容和臨界值電壓都會選擇性地調整，以便在應用系統的穩定性(dV/dt耐量、停滯時間等)及性能(EMI和延遲時間)方面取得最好的折衷平衡。
應用實例
在圖4的模擬中，假設結溫Tj 保持在125C，這是Tiny-DIP封裝Motion-SPM的最大絕對工作結溫。通過模擬，當外殼溫度控制在100C並使用空間向量調製(SVPWM)時，可以確定模組能輸送Pout=100W以上的功率，允許功耗Pd=16W。基於這種瞭解，利用圖5(a)所示作為應用例子的130-W BLDC馬達(正弦反電動勢，sinusoidal back-EMF)裝置進行實驗驗明SPM的額定功率。輸入/輸出功率和變頻器效率都利用功率分析儀進行測量。這實驗並利用了圖5(b)所示的不連續PWM方法，這方法在BLDC應用中很普遍。而所使用散熱器的有效表面面積約為100 cm2。使用這種散熱器，散熱器溫度Tc = 62C、環境溫度Ta = 25C，所產生的功耗為8.2W。結果，對普通的BLDC應用系統來說，SPM能傳送150W的功率輸出，效率達95%。
除了額定功率問題外，現場應用中最大的問題乃來自異常的情況如浪湧雜訊(surge noise)等。HVIC是採用電平移位元件以無電隔離方式(galvanic isolation)傳輸信號的閘極控制IC，由於其工作特性，一般很容易發生故障。例如，很容易產生極快的控制電源瞬變、輸入信號的突然振盪、高端電源終端的大負電壓等。按照產品規格說明，元件在這些情況都不能保證能正常工作。
此外，易受這些情況影響的元件也不可能在生產線的測試過程中全部篩選出來。因此，HVIC電路設計及其佈局必須將這些情況也考慮在內。雖然其中一些問題可通過智慧化和創新的電路設計來避免，但是，大部分問題都是由很難除去的寄生電路原素引起。比如，在大多數情況下，IC閂鎖效應(latch-up)是由佈局引起的，應當通過設計規則來避免。信號和電源引腳上的負電壓可能會導致HVIC故障及損壞，從而毀掉整個變頻器系統。HVIC在Motion-SPM中的出現，就是希望能夠在這些異常情況下把HVIC的故障和損壞減到最小。
用於更緊湊變頻器的智慧型功率模組
新的Tiny-DIP封裝的Motion-SPM是具備成本效益的解決方案，針對額定功率比傳統解決方案更高的緊湊型系統而設。它具有更高的智慧和能源效率，適合內置馬達使用，能取代100W及以下小功率馬達驅動系統中所用的傳統解決方案。
本文所示圖表內容請參見雜誌.
