智能功率模塊(SPM)的技術水平分析
在消費電器和一般工業應用的低功率電機驅動領域中，采用轉模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發展趨勢。飛兆半導體的智能功率模塊(SPM)涵蓋0.05至7kW的功率范圍，具有緊湊性。功能性。可靠性以及成本效益。通過使用銅直接鍵合(DBC)基底的轉模封裝，不僅能夠提高功率密度，并且在單一封裝中便可實現三相逆變器。SRM驅動器和功率因數校正等各種電路拓撲。本文將從器件。封裝以及系統配置的角度介紹在SPM中實現的尖端技術。對于服務于家電和低功率工業市場的公司來說，關注重點越來越多地從制造過程的縱向集成轉向核心競爭力的開發，例如品牌開發?？蛻舴占拔锪鞯取⒎至⒐β拾雽w器件和驅動器集成進一個封裝中，能夠使這些公司減少在設計上花費的時間和精力，保證其電器產品擁有可靠的功率電子部件。這種集成使這些公司能夠縮短產品上市時間，更快地將創新技術帶給最終用戶。推動對創新需求的一個動力是長遠的節能倡議，這些倡議迫使企業采用逆變器驅動技術。不同類型的電器使用不同的驅動解決方案，所以不同類型系統的功率級要求都有所不同，即電路拓撲和功率水平。本文將列出多個實例，將不同的器件成功地集成在一個模塊中以滿足這些變化多樣的需求。從1999年首次開發SPM至今，飛兆半導體已經成功開發了多種SPM系列，涵蓋從50W至7kW的消費電器和低功率一般工業應用。本文將詳細介紹SPM設計概念及其半導體實現方法(功率器件和控制IC).封裝及系統技術。功率器件由于IGBT技術的進步，自從SPM系列首次在工業市場出現以來，一直不斷地經歷著升級。隨著亞微米設計規則的引入，不僅芯片尺寸減小的速度加快，同時電流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片實現了關斷損耗和導通壓降之間更好的性能平衡關系，同時確保擁有足夠的SOA。圖1表示IGBT技術方面的改進。顯然，V5IGBT具有出色的器件性能，從而可以在更小的封裝中增大功率容量。低功耗運作常常需要更快的開關速度，這造成了恢復電流的增加和dv/dt的升高，會帶來較大的電磁干擾(EMI).高浪涌電壓和電機泄漏電流。在SPM系列的開發過程中，已經考慮了EMI問題，并優化了柵極驅動的設計，犧牲高開關速度以控制集成IGBT的開關速度。正是由于IGBT具有低導通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時實現低EMI特性。圖2所示為SPM的典型dv/dt特性。在其額定電流下，開啟和關斷dv/dt低于5kV/μs。此外，為了獲得更佳的ESD保護，在柵極和發射極之間使用了具有足夠的箝位電壓的多硅背靠背二極管。2,350×2,350平方微米的芯片面積能夠獲得HBM2.5kV和MM300V的ESD電平。使用集成式保護二極管，所有的SPM產品都達到工業標準ESD電平。圖1.SPM制造過程中IGBT的改進圖2.開關dv/dt特性(Vpn=300V.Vcc=15V.25度。20A額定電流)圖2.開關dv/dt特性(Vpn=300V.Vcc=15V.25度。20A額定電流)驅動器IC由于成本效益的原因，HVIC和LVIC設計為具有最少的必要功能，特別適合于消費電器的逆變器驅動。設計方面的考慮包括：借助精細工藝技術減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅動有效的“高電平”接口；低功耗；更高的抗噪聲能力；抗溫度變化的更好穩定性等等。 HVIC的一個特性是內置高電平偏移功能，如圖3所示，能夠將來自微控制器的PWM輸入直接轉換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容，可以采用單一控制電源驅動SPM。圖3.高邊驅動器配置圖3.高邊驅動器配置另一方面，HVIC對于外部噪聲敏感，因為其信號是通過脈沖信號和SR鎖存器進行轉換的。對于這種脈沖驅動HVIC,高dv/dt開關驅動IGBT是最危險的開關類型。假設從漏極看LDMOS寄生電容是CM,高邊IGBT的導通dv/dt是dVS/dt,CM必須采用大電流(CM*dVS/dt)充電，才能使LDMOS漏極電壓跟隨快速變化的VB電壓，該電壓通過自舉電容CBS與VS耦合。大充電電流在R1和R2上引起過大的壓降，從而誤觸發SR鎖存器。為了克服噪聲敏感性，因此開發了具有獨特拓撲的噪聲消除器，如圖3所示。V/I轉換器將電平變換器的輸出轉換成電流信息。對于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉換器會給出相同的輸出。但是，對于正常運作，V/I轉換器輸出是互不相同的，因為兩個LDMOS中只有一個工作于正常的電平轉換器運作狀態。這樣可以方便地確定V/I轉換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉換器的電流輸出。然后，V/I轉換器重建電壓信號，這個信號來自V/I轉換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動。最后，經放大的信號送到SR鎖存器。 V/I和I/V轉換的另一個優點是允許負VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨特的拓撲，飛兆半導體的HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴展負電壓運作范圍，在VBS=15V左右達到VS=-10V。 LVIC負責所有的保護功能及其向微控制器的反潰它的保護電路檢測控制電源電壓。LVIC溫度以及帶外部并聯電阻的IGBT集電極電流，并在錯誤狀態中斷IGBT的操作。有關的保護應該不受溫度和電源電壓的影響。例如在表1中給出了LVIC中過電流保護的探測電平。表1. LVIC (典型值0.5V)的過電流探測電平表1.LVIC(典型值0.5V)的過電流探測電平錯誤信號用于通知系統控制器保護功能是否已經激活。錯誤信號輸出是在低電平有效的集電極開路配置。它一般通過上拉電阻被拉升至3.3V到15V。當錯誤發生時，錯誤線拉低，低邊IGBT的所有柵極被中斷。如果錯誤是過電流引起的，輸出則出現一個脈沖，然后自動復位。首選的低信號持續時間取決于它的應用。例如，對于家電首選幾毫秒，但是在工業應用中首選一至兩倍的IGBT開關頻率。SPM的LVIC提供外部電容，并根據各種要求設定該持續時間。自舉二極管除了基本的三相逆變器拓撲，更多的集成是半導體公司面臨的挑戰之一。約束不是技術問題，受限的是成本和封裝尺寸。從這一點來看，自舉二極管似乎成為集成的合適器件。實際上，市場上已出現了數種內置自舉二極管的產品，但是從技術角度來看，其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上的高壓結終止區域作為自舉二極管。其應用局限于額定值在100W以下的低功率應用，因為這種方式具有較大的正向壓降和較差的動態特性。功率在400W左右時，采用分立FRD作為自舉二極管，但是由于其封裝尺寸有限，沒有串聯電阻(RBS),因此需要對大充電流進行特殊處理，尤其在初始的充電期間。在高于400W的應用中，最常見的應用是將分立FRD和分立電阻進行組合。這種方式的唯一缺點是占用空間較大和相應的成本增高。在SPM的開發中，采用了新設計的自舉二極管，其設計目標是減小芯片尺寸和獲得適中的正向壓降，以得到20Ω串聯電阻的等效作用。如圖4所示，其壓降特性等同于串聯電阻和普通FRD。借助于這種特殊自舉二極管的優點，能夠實現更多的集成同時保持最低的成本。圖4.內置自舉二極管的正向壓降封裝開發SPM封裝的主要因素是改善性價比，同時提升熱循環和功率循環等封裝的可靠性。因此，以往用于IC和LSI產品的轉模封裝技術被用于功率模塊。與具有塑料或環氧樹脂外殼的普通功率模塊相比，SPM具有相對簡單的結構：功率芯片和IC安裝在銅引線框架上，基底材料與框架連接，最后在環氧樹脂中模塑成型。在封裝設計中散熱是重要的問題，因為它決定了模塊的功率容量限制，且與隔離特性有著很大的折衷平衡關系。轉模封裝SPM系列根據功率額定值和應用，采用幾種隔離基底，如表2所示。表2. SPM系列的封裝基底表2.SPM系列的封裝基底借助現有的可變形基底的優點，可在Mini-DIPSPM封裝中實現600V3A到30A的功率額定值，同時保持PCB管腳布局和價格的競爭力，如圖5所示。圖5.不同電流額定值下SPM產品系列的結和外殼之間的熱阻圖5.不同電流額定值下SPM產品系列的結和外殼之間的熱阻除了更高的可靠性和熱性能之外，制定模式的靈活性是DBC(直接相連銅)基底的另一個優點。這樣可以針對多種應用提供派生產品，比如功率因數校正。開關磁阻電機等，在此只需改變DBC,而其它封裝要素保持不變。 DBC的大批量生產還存在幾個有待解決的技術問題，采用絲網印刷。多芯片安裝技術以及傳送帶回流焊和助焊劑清理工藝，開發DBC基底和引線框架的多芯片安裝和連接技術。通過回流焊溫度曲線調整，獲得接近零的焊接空洞，增加熔解區域之間的溫度斜坡，優化焊料和絲網印刷掩模設計。通過模擬和實驗方法，調適封裝的熱翹曲以優化DBC基底的銅層厚度。結論受到成本因素的約束，SPM設計所需的綜合技術包括功率器件。驅動器IC.封裝以及系統優化。對于實際的批量生產，組裝和測試也是非常重要的。目前，SPM已將自身定位于最強大的低功率電機驅動逆變器解決方案，而其發展將會越來越快

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