使用智能功率模塊實現(xiàn)車載電氣控制系統(tǒng)

日益嚴格的燃油能效法規(guī)和人們對環(huán)境影響日益增加的擔憂，意味著車內機械系統(tǒng)正由電氣替代品所取代。這支持提供更高程度的能效和工作性能。例如，直流電機的使用在車載控制系統(tǒng)(除主電機外)的設計中越來越普遍，以便減輕汽車總重量，從而提高燃油經(jīng)濟性。就動力轉向系統(tǒng)而言，從液壓驅動系統(tǒng)變?yōu)殡姎庀到y(tǒng)，可提高3%-5%的燃油能效水平。

對車載系統(tǒng)，無刷直流(BLDC)電機正看到更廣泛的激增，因為它們提供較有刷和換向器的傳統(tǒng)直流電機高得多的可靠性。BLDC電機不僅被整合至汽車電動助力轉向系統(tǒng)(EPS)中，還被整合至水泵、油泵、燃油泵、散熱風扇、暖通空調(HVAC)、座椅風扇等。

車載電機控制的要求及考慮因素

車載電機控制電路的關鍵要求是高溫工作。在150℃的環(huán)境溫度(Ta)和170℃的結溫(Tj)下的工作能力是極其重要的。整個控制電路在嚴苛環(huán)境中的高可靠性也是需要的。需要使用的分立元件越多，線路板就必須越大，隨著焊接工作量越來越多，在可靠性降低和重量增加的同時，也在采取減少發(fā)熱和總成本的措施時造成困難。降低噪聲如電磁干擾(EMI)也很重要。

如已概述的，BLDC電機在能效、可維護性、使用時間和安全方面優(yōu)于有刷電機，但也有更重和更高成本的缺點(因為BLDC電機包含外部控制電路，需要更大的安裝空間)。因此，在要充分利用BLDC電機優(yōu)勢的同時又要減小系統(tǒng)總尺寸和重量、降低成本、增強可靠性、減少發(fā)熱、降低噪聲時存在挑戰(zhàn)。

智能功率模塊用于車載裝置

集成先進的功率半導體和外圍元件是減小尺寸和重量的一種非常有效的方法，以解決當指定BLDC電機用于車載應用時所面臨的問題。不同技術和不同形狀的半導體元件貼裝在絕緣基板上并電性連接。這種集成有多種形式：從由多個功率器件(如功率MOSFET和IGBT)組成的簡單的功率模塊，到整合功率器件、驅動電路(預驅動器)、保護電路等等的智能功率模塊(IPM)。

通常有兩種用于電源模塊基板的材料。這些都是適用于大功率的陶瓷基材料和金屬基材料(如鋁)。由于陶瓷基板與金屬片相連(如銅和鋁)，大型基板的加工是困難的并有所局限性，而集成可實現(xiàn)。金屬基絕緣金屬基板技術(IMST)成為解決這問題的方法。IMST是減小尺寸和重量的一種有效方法，將不同結構的半導體元件及無源器件和其它部分集成到單個模塊中。IMST結構通過使用絕緣層覆蓋鋁片，將銅箔置于頂層，并在銅箔上蝕刻，使單層布線圖案能被自由定制。鋁線用作晶體管或IC/LSI裸芯片和銅箔圖案之間的電性連接(即超聲波粘合)。較厚的銅箔圖案用于大電流應用，較薄的圖案用于小電流。鋁線的直徑基于流經(jīng)的額定電流和使用這些導線的目的(例如是用作跳線還是接地線)。當?shù)蜔犭娮鑳?yōu)先時絕緣層做得更薄一些，當高壓重要時絕緣層做得更厚一些。因為基板是鋁， 導熱性和導電性本質上是很高的。這支持處理大量電力，并提供電磁屏蔽效用。


圖1. IMST橫截面

一般的IPM貼裝其組成元件到單獨的電路板，由于這結構是點和線互聯(lián)的框架，無法在這框架內實現(xiàn)多個功能。但是使用IMST結構，電路搭建在電路板上，可輕易實現(xiàn)多個功能。


圖2.IMST和典型的IPM結構比較

關于電源模塊或IPM，許多功率半導體廠商生產(chǎn)相應的目標應用的產(chǎn)品，功率MOSFET/貼裝的分立元件數(shù)或基礎線路板不是一律固定不變的。

用于車載系統(tǒng)的3相BLDC電機方案的比較

為減少車載3相BLDC電機的系統(tǒng)成本，可使用無位置檢測傳感器型(簡稱無傳感器型)。一般安裝一個功率MOSFETE和一個帶微控制器的預驅動器IC，BLDC電機由軟件控制。通常平均有170個元件貼裝在印制線路板上。為替代這種情況，使用一個高度集成的IPM、一個使用功率MOSFET的專用控制器、預驅動器和硬邏輯器件，與自保護功能(防短路、過流、控制電源壓降和過熱)一起可集成到一個模塊中，從而成為一個獨立的單元。有關噪聲可被降低。而且由于無需軟件來驅動電機，可縮短設計周期。系統(tǒng)可靠性也顯著提升。


圖3.BLDC電機驅動器架構

一般情況下，3相BLDC電機比有刷電機更貴。它們也占用更多空間和更重。高密度IPM采用IMST，節(jié)省空間，系統(tǒng)成本也隨之降低。例如，安森美半導體的獨立無傳感器式電機控制IPM如下圖所示(參見圖4)，包括無傳感器位置檢測邏輯和電機控制IC(序列)、6個功率MOSFET和外圍元件。它直接對帶同步整流的PWM控制器作出響應。


圖4. 獨立的無傳感器式電機控制IPM框圖

在這特別的IPM示例中，元件數(shù)已從通常所需的170個以實現(xiàn)分立結構減至只需5個。這是因為通過使用IMST能集成各種不同的元件。因此，貼裝重量可減少60%，占板面積減少85%。當使用這IPM時，不再需要印制基板(支持實現(xiàn)無PCB)，IPM可置于電機占用面積范圍內。


圖5.使用PCB的分立方案比較無PCB方案(IPM)

基于IMST的IPM的其它好處

我們注意到基于IMST的IPM的第一大額外好處是它們提供高精度溫度檢測。對于分立元件，由于功率晶體管封裝和溫度檢測電路封裝相距甚遠，導致溫度檢測時間延遲。使用基于IMST的IPM，由于功率晶體管、提供溫度檢測的控制電路和保護電路可貼裝在同一板上。因此在溫度檢測中將最大限度減小誤差，從而可實現(xiàn)高精度電路工作。


圖6.溫度檢測

基于IMST的IPM的第二大好處是降低噪聲。因為降低電機噪聲是車載系統(tǒng)的一個重要方面，設計工程師需要盡可能降低噪聲。EMI噪聲構成設計階段的一個主要問題。使用基于IMST的IPM，在金屬基板的鋁片和銅箔之間有一個分布式電容通過絕緣樹脂。這有效地降低功率器件的開關噪聲。其與分立結構的詳細比較數(shù)據(jù)如圖7 所示。


圖7.開關噪聲比較

此外，由于可減小IMST基板上布線和引線鍵合的寄生電感，通過抑制在開關狀態(tài)轉換期間當高壓大電流器件硬開關時產(chǎn)生的高壓浪涌，可降低噪聲。


圖8.高壓浪涌

第三大好處在于基于金屬的設計的出色的散熱性能。此屬性取決于絕緣材料和絕緣層的厚度。較薄的絕緣層可減小熱阻抗。圖9顯示在多個絕緣金屬基板上的絕緣層厚度和熱阻抗值之間的關系。


圖9.熱阻抗圖

未來的發(fā)展

用于當今緊湊經(jīng)濟型汽車和豪華型汽車的電機數(shù)量分別為50-60臺和100-120臺，且預計在2015年這數(shù)量將超過每輛車200臺。隨著尺寸的減小，重量和成本將因而日益重要，進一步的整合將至關重要。為用于廣泛應用，除了僅有預驅動器的模塊，這里介紹的獨立的系統(tǒng)級IPM和無需開發(fā)電機控制算法的通用平臺式方案也是需要的。而且隨著大功率EPS的迅速發(fā)展，進一步增加配備現(xiàn)有的功率器件和并聯(lián)電阻的功率模塊密度的技術開發(fā)正在進行中。對IPM產(chǎn)品，三大技術開發(fā)是關鍵；包括基板和絕緣材料的封裝技術，如引線鍵合的貼裝技術，和功率半導體及控制電路的設計技術。