中心議題：

• 布局約束因素
• 設計考慮因素
• 元件安裝考慮因素

解決方案：

• 采用智能功率模塊
• 增加柵極電阻來降低開關速率

布局約束因素

現(xian)今(jin)的(de)可(ke)調(tiao)速(su)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)都(dou)采(cai)用(yong)變(bian)頻(pin)器(qi)來(lai)調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)，以(yi)滿(man)足(zu)三(san)相(xiang)馬(ma)達(da)的(de)要(yao)求(qiu)。變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)形(xing)狀(zhuang)大(da)小(xiao)通(tong)常(chang)會(hui)受(shou)到(dao)應(ying)用(yong)的(de)限(xian)製(zhi)。在(zai)許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，電(dian)路(lu)板(ban)與(yu)馬(ma)達(da)靠(kao)得(de)很(hen)近(jin)，而(er)馬(ma)達(da)構(gou)造(zao)的(de)高(gao)度(du)也(ye)會(hui)受(shou)限(xian)。另(ling)外(wai)，所(suo)用(yong)高(gao)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)的(de)物(wu)理(li)性(xing)質(zhi)和(he)所(suo)選(xuan)封(feng)裝(zhuang)的(de)形(xing)狀(zhuang)，也(ye)要(yao)求(qiu)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)位(wei)置(zhi)空(kong)間(jian)。功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)體(ti)開(kai)關(guan)工(gong)作(zuo)期(qi)間(jian)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)、電(dian)流(liu)交(jiao)疊(die)會(hui)造(zao)成(cheng)損(sun)耗(hao)，必(bi)須(xu)將(jiang)其(qi)消(xiao)除(chu)。雖(sui)然(ran)功(gong)率(lv)耗(hao)散(san)問(wen)題(ti)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)加(jia)設(she)散(san)熱(re)片(pian)而(er)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)，但(dan)這(zhe)也(ye)會(hui)限(xian)製(zhi)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)在(zai)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)的(de)布(bu)局(ju)安(an)排(pai)。

變頻器是達到EcoDesign節能要求的關鍵技術。美國電力科學研究院（ElectricPowerResearchInstitute）的研究表明
，采用變頻器的馬達比無變頻器的馬達節能多達40%。無論是感應馬達、永yong磁ci同tong步bu馬ma達da
，還hai是shi無wu刷shua直zhi流liu馬ma達da，都dou可ke由you變bian頻pin器qi為wei其qi產chan生sheng正zheng弦xian電dian流liu。為wei此ci，開kai關guan頻pin率lv必bi須xu比bi變bian頻pin器qi的de可ke調tiao輸shu出chu頻pin率lv高gao幾ji個ge數shu量liang級ji。而er經jing脈mai衝chong寬kuan度du調tiao製zhi的de輸shu出chu電dian壓ya則ze會hui施shi加jia在zai電dian感gan性xing負fu載zai上shang。因yin此ci，輸shu出chu電dian流liu與yu電dian壓ya的de平ping均jun值zhi成cheng正zheng比bi。開kai關guan頻pin率lv越yue高gao，對dui變bian頻pin器qi越yue有you利li；而驅動的扭矩波動越小，動態響應性能便更高
，噪聲也會變得更低。這就要求開關速率快
，而開關速率快意味著di/dt和dv/dt的變化率通常都很高。因此，電路寄生就成為一個大問題，設計人員必須努力解決這個問題，才能滿足目前和未來的EMC標準要求。

成(cheng)本(ben)是(shi)電(dian)路(lu)布(bu)局(ju)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)約(yue)束(shu)因(yin)素(su)。許(xu)多(duo)情(qing)況(kuang)下(xia)，都(dou)采(cai)用(yong)雙(shuang)麵(mian)電(dian)路(lu)板(ban)。而(er)電(dian)路(lu)板(ban)上(shang)的(de)不(bu)同(tong)區(qu)域(yu)常(chang)常(chang)隻(zhi)能(neng)使(shi)用(yong)一(yi)種(zhong)焊(han)接(jie)工(gong)藝(yi)。因(yin)此(ci)，就(jiu)提(ti)高(gao)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)而(er)言(yan)，表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)是(shi)越(yue)來(lai)越(yue)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

設計考慮因素

目前，大功率半導體器件(如IGBT和MOSFET)的de發fa展zhan趨qu勢shi是shi在zai提ti升sheng性xing能neng的de前qian提ti下xia不bu斷duan縮suo小xiao芯xin片pian尺chi寸cun。減jian小xiao芯xin片pian尺chi寸cun能neng減jian少shao器qi件jian的de寄ji生sheng電dian容rong，從cong而er提ti高gao開kai關guan速su率lv。因yin此ci，深shen入ru研yan究jiu電dian路lu板ban上shang的de關guan鍵jian回hui路lu越yue來lai越yue重zhong要yao。圖tu1為電壓源變頻器(voltagesourceinverter，VSI)的兩種典型開關工作方式的簡化示意電路。在開關頻率受限的大電流應用中，IGBT是最受歡迎的器件。上圖所示為從高壓側(HS)續流二極管到低壓側IGBT的換流。電流最初是在高壓側二極管和相應反相半橋的IGBT形成的續流通道中。


圖1簡化的換向電路

一旦低壓側柵極驅動電路導通了IGBT

，就會有短路電流經過高壓側二極管和低壓側IGBT。其結果是二極管電流降低，IGBT電流相應增加(自然換相：1〜2)，在開關期間
，電感性負載的電流可視為常數。因此，雜散部件與該通道無關。開關速率由低壓側IGBT的導通和半橋的雜散電感來決定。要實現從低壓側IGBT到高壓側續流二極管的反向換流

，低壓側IGBT上的壓降必須大於直流總線電壓
，以導通續流二極管。因此，IGBT在與二極管換流(強製換相：2〜1)之前必須能同時承受高電壓和大電流。[page]

在圖1中
，電壓源變頻器的臨界電流路徑被標為紅色陰影，其特征是di/dt變(bian)化(hua)率(lv)高(gao)，這(zhe)個(ge)特(te)征(zheng)也(ye)表(biao)現(xian)在(zai)對(dui)應(ying)的(de)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)上(shang)。要(yao)保(bao)證(zheng)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)安(an)全(quan)的(de)工(gong)作(zuo)，就(jiu)要(yao)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)小(xiao)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)。尤(you)其(qi)是(shi)高(gao)壓(ya)側(ce)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)，存(cun)在(zai)一(yi)個(ge)由(you)低(di)壓(ya)側(ce)二(er)極(ji)管(guan)和(he)電(dian)流(liu)通(tong)道(dao)上(shang)的(de)阻(zu)性(xing)和(he)感(gan)性(xing)壓(ya)降(jiang)所(suo)引(yin)起(qi)的(de)，且(qie)幅(fu)度(du)超(chao)過(guo)VS最小允許電壓的負壓，會導致電路工作異常。

其(qi)中(zhong)一(yi)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)是(shi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)柵(zha)極(ji)電(dian)阻(zu)來(lai)降(jiang)低(di)開(kai)關(guan)速(su)率(lv)
，然(ran)而(er)這(zhe)卻(que)會(hui)大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)損(sun)耗(hao)。在(zai)這(zhe)情(qing)況(kuang)下(xia)，便(bian)需(xu)要(yao)優(you)化(hua)電(dian)路(lu)板(ban)布(bu)局(ju)，充(chong)分(fen)利(li)用(yong)電(dian)壓(ya)源(yuan)變(bian)頻(pin)器(qi)的(de)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)。為(wei)了(le)去(qu)除(chu)功(gong)率(lv)區(qu)和(he)信(xin)號(hao)區(qu)的(de)耦(ou)合(he)
，兩(liang)個(ge)區(qu)域(yu)的(de)接(jie)地(di)應(ying)當(dang)分(fen)開(kai)。柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)靠(kao)近(jin)IGBT
，且不要有任何回路或偏差。微控製器和柵極驅動之間的信號通道不是非常關鍵的。分立的IGBT管腳引線應盡可能短，以最大限度地減少寄生電容和電感。封裝在一起的6個IGBT和he柵zha極ji驅qu動dong器qi的de安an排pai需xu要yao周zhou密mi考kao慮lv。此ci外wai

，散san熱re片pian上shang的de器qi件jian需xu要yao配pei備bei適shi當dang的de絕jue緣yuan片pian。許xu多duo情qing況kuang下xia，電dian路lu板ban的de邊bian沿yan都dou需xu要yao有you大da塊kuai的de散san熱re片pian。

為了克服以上約束，最好采用智能功率模塊(intelligentpowermodule(IPM)，也稱為SmartPowerModule(SPM®))。圖2suoshiweiyigedianxingdequanfengbimokuai，tabaohanyigewanzhengdesanxiangdianyayuanbianpinqi
，yijixiangyingdezhajiqudongqihebaohudianlu。caiyongzhezhongmokuaibifenliyuanjianfanganjieshengdianlubankongjianduoda50%。尤其是這種模塊需要的外接部件極少，在設計上就考慮了EMC的要求。其峰值和平均EMC幹擾強度比傳統設計低很多。

圖2智能功率模塊

與電壓源變頻器的分立元件方案類似，采用智能功率模塊時也要注意外部元件的布局安排。圖3所示為針對Motion-SPMTM應用的一些建議。由於電壓源變頻器的開關速率很快，信號接地和功率接地必須分開。兩種接地在15VVcc電容處互接。Vcc電容和功率接地之間的通道要狹窄
，以去除耦合。為防止電湧造成破壞
，引腳P與功率接地之間應當有一個低電感電容。另外
，由於電壓源變頻器和馬達之間的長引線會造成高壓反射
，因此一些SPM產品配備了外接柵極電阻來調節開關速率和最大限度地減少反射。



圖3布局建議


圖4模塊安裝翹曲的誇大示意圖

元件安裝考慮因素

除TinyDIP/SMD外，SPM的表麵都會有一定的翹曲。圖4為(wei)這(zhe)種(zhong)翹(qiao)曲(qu)的(de)一(yi)個(ge)誇(kua)張(zhang)示(shi)意(yi)。模(mo)塊(kuai)是(shi)用(yong)一(yi)些(xie)從(cong)表(biao)麵(mian)中(zhong)間(jian)穿(chuan)出(chu)的(de)螺(luo)絲(si)緊(jin)固(gu)在(zai)散(san)熱(re)片(pian)上(shang)。如(ru)果(guo)安(an)裝(zhuang)恰(qia)當(dang)，這(zhe)種(zhong)凸(tu)狀(zhuang)表(biao)麵(mian)能(neng)保(bao)證(zheng)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)熱(re)量(liang)從(cong)模(mo)塊(kuai)傳(chuan)遞(di)到(dao)散(san)熱(re)片(pian)。如(ru)果(guo)緊(jin)固(gu)螺(luo)絲(si)用(yong)力(li)不(bu)均(jun)，就(jiu)可(ke)能(neng)在(zai)模(mo)塊(kuai)內(nei)產(chan)生(sheng)應(ying)力(li)

，導(dao)致(zhi)模(mo)塊(kuai)破(po)損(sun)或(huo)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。建(jian)議(yi)采(cai)用(yong)圖(tu)4所示的螺絲緊固順序(先按1〜2的順序預緊固，再按2〜1的順序最終緊固)。通常，預緊固扭矩為最大額定緊固扭矩的25%。隻要散熱片與器件緊貼好了，就可通過SPM的內置熱敏電阻獲取散熱片的溫度
，從而簡化電路板的設計。