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Fairchild 的功率模块 FTCO3V455A1

 2014-10-15

使用高度集成的汽车功率模块(APM)替换分立MOSFET构建的三相逆变器日渐成为车辆电气化的趋势,并且可以在汽车系统设计中带来多方面的优势,包括提升机电一体化水平、更好的热性能、更小的系统尺寸、更高的功率密度、更高的转换效率。

 

Fairchild的功率模块FTCO3V455A1正是基于这种车载要求而设计的,29 x 44 x 5 mm的尺寸,达到150A的载流能力使得FTCO3V455A1可以在提高系统电气性能的同时让整个设计更为紧凑。FTCO3V455A1功率模块目前主要应用于电动助力转向、油泵和水泵以及冷却风扇。

 

APM的构成

 

Fairchild的FTCO3V455A1就是一种符合汽车应用要求的MOSFET逆变器。它提供三相逆变器的所有功能,包括六个提供高电流、高效率的MOSFET。同时模块中集成了从电池到地的RC缓冲电路,紧密耦合到MOSFET桥以改进EMI性能。还包括用于电流感测的0.5 mΩ精密分流电阻,可提供电流反馈,实现电机控制和过流保护。另外,增加一个温度检测NTC,用于监控逆变器的发热情况。

 

APM通常直接安装至电机外壳表面,允许PCB仅沿模块一侧连接至信号引脚(图1)。

WPI_Fairchild_FTCO3V455A1

 

 

1. 3相逆变器的APM示例

 

在所示的电路中,信号引脚和功率引脚放在模块相反的两侧,用于分离控制和电源端口。这样的设计,PCB上就不需要通过大电流,因此设计实施和生产更简单。导热的直接敷铜(DBC)结构在安装表面和电气有源组件之间可提供2500 Vrms电气隔离。

 

更少的机械连接

 

在使用分立封装组件开发的逆变器中,如TO-263或MO-299封装,有更多的机械接口需要处理。包括MOSFET封装至PCB、PCB至隔离散热器、散热器至散热片,还可能是散热片至下一级组件。这些机械接口与系统的热性能紧密相关,其中大部分已整合于APM中。在多数情况下,要进行的唯一纯机械连接是从功率模块到散热片。

 

更好的热性能

 

与安装在PCB或IMS上的六个或更多分立式MOSFET封装部件相比,通过APM实现的简化机械接口设计可获得极好的热性能。结至散热片的热阻体现为采用30 µm厚系数为2.1 W/(m-K)的导热材料,采用这种从散热片到硅的简单堆叠,结到散热片的热阻可以减小30%以上。出色的热性能使得全逆变器可采用极高功率密度的封装,可构成约400 mL总容量的极紧凑逆变器组件,包括继电器、直流链路滤波器组件、控制PCB、散热片和连接器。

 

其他性能优势

 

采用分立方案,载流量受引线框架和IMS走线厚度的限制。使用单封装APM可显著增强载流量。 分立方案还有更高的总逆变器电阻、更高的逆变器电感、更高的走线电阻及栅极驱动电路电感,所有这些性能特性通过将分立方案替换为APM而得到改进,同时杂散参数的减小带来了更好的EMC特性,这也是使用APM的一个原因。采用模块可更轻松地隔离功率和信号引脚,实现更低的电感并靠近RC滤波。使用APM也可提供更高的扭矩输出,由此可以将电气驱动系统的应用领域扩大至重型车辆。