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AN3338
AN3338
应用笔记
SLLIMM™
小型低损耗
小型低损耗智能成型模块
By Carmelo Parisi, Giovanni Tomasello and Kindey Chen
简介
近年来为了满足日益增长的节能要求,变速马达控制市场如洗衣机、洗碗机、冰
箱、空调压缩机驱动器等家电应用,和一些低功率的工业应用如缝纫机、水泵、电动
工具等,需要结构紧凑,高可靠性,以及系统成本低的高性能解决方案。为了满足这
些市场需求,意法半导体公司开发出一种结构紧凑,效率高,另外辅以额外的可选功
能新的双列智能功率模块系列产品,称之为小型低损耗智能成型模块 (SLLIMM™)。
SLLIMM 产品系列结合了优化的硅芯片,它们集成在变频器的三个主要功能块:
• 功率级
- 六个坚固耐用的具有短路能力的 IGBT
- 六个续流二极管
• 驱动级
- 三个高压栅极驱动器
- 分立栅极电阻
- 三个自举二极管
• 保护和可选功能
- 先进的电流检测运算放大器
- 防止过流和短路故障保护的比较器
- NTC 温度控制传感器
- 智能关断功能
- 死区时间,联锁功能和欠压锁定
由于 DBC 封装技术的发展水平,完全隔离的 SLLIMM 封装(SDIP)具有极低的热
阻,并且提供了最佳的成本效益和高质量水准。比较于包含有功率器件,驱动和保护
电路等分立器件组成的变频器,SLLIMM 系列提供了一个高集成度的方案,这意味着
减少了元器件数量,简化了电路设计,重量轻,并且可靠性高。
本应用笔记对 SLLIMM 产品作了详细描述,同时为电机驱动器设计者提供了设计
准则以便高效,可靠,快速的设计。
September 2012
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
目录
应用笔记 ......................................................................................................................... 1
SLLIMM™ ..................................................................................................................... 1
小型低损耗智能成型模块 .............................................................................................. 1
简介 .................................................................................................................................... 1
1
变频器的设计理念和 SLLIMM 解决方案.................................................................. 4
1.1 产品简介 ................................................................................................................. 5
1.2 产品系列和命名 ..................................................................................................... 7
1.3 内部线路框图 ......................................................................................................... 9
1.4 绝对最大额定值 ................................................................................................... 12
2
电气特性和功能 ....................................................................................................... 16
2.1 IGBT ....................................................................................................................... 16
2.2 续流二极管 ........................................................................................................... 16
2.3 高压栅极驱动器 ................................................................................................... 16
2.3.1 逻辑输入 ......................................................................................................... 18
2.3.2 高电压电平移位 ............................................................................................. 20
2.3.3 欠压锁定 ........................................................................................................ 20
2.3.4 死区时间和联锁功能管理 ............................................................................. 21
2.3.5 故障检测比较器 ............................................................................................. 23
2.3.6 短路保护和智能关断功能 ............................................................................. 24
2.3.7 短路保护和智能关断功能时序图 .................................................................. 25
2.3.8 电流检测采样电阻的选择 ............................................................................. 27
2.3.9 RC 滤波器网络选择 ...................................................................................... 27
2.3.10 过温保护 ....................................................................................................... 29
2.3.11 先进的电流检测运算放大器........................................................................ 31
2.3.12 自举电路 ...................................................................................................... 33
2.3.13 自举电容的选择 ............................................................................................ 34
2.3.14 自举电容初始充电 ...................................................................................... 36
3
封装........................................................................................................................... 38
3.1 DBC (Direct Bonding Copper )基板 .................................................................. 38
3.2 印刷电路板 PCB .................................................................................................... 39
3.3 封装结构 ................................................................................................................ 39
3.4 外形封装尺寸 ........................................................................................................ 42
3.5 输入和输出管脚描述 ............................................................................................. 46
4
功率损耗和散热 ....................................................................................................... 53
4.1 传导损耗 ................................................................................................................ 53
4.2 开关损耗 ................................................................................................................ 56
4.3 热阻抗概述 ............................................................................................................ 57
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
4.4 功率损耗计算实例 ................................................................................................. 60
设计和安装指引 ........................................................................................................ 62
5.1 布局的建议 ............................................................................................................ 62
5.1.1 一般建议 ........................................................................................................ 62
5.2 安装说明 ................................................................................................................ 66
5.2.1 散热器安装 .................................................................................................... 66
5.2.2 安装力矩 ........................................................................................................ 67
5.2.3 一般处理预防和存储注意事项 ..................................................................... 69
5.2.4 包装规格 ........................................................................................................ 70
6
参考手册 ................................................................................................................... 72
5
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
1 变频器的设计理念和 SLLIMM 解决方案
电机应用的驱动功率从几十瓦到几百万瓦不等,变频器方案能够满足效率,可靠
性,尺寸大小和一些应用市场必要的成本控制等这些方面的要求。
如图 1 所示,一个电机驱动变频器基本上是由基于 IGBT 和续流二极管的功率级
, 基于高压栅极驱动器的驱动级,一个基于微控制器或 DSP 的控制单元,和一些可
选的保护和反馈控制信号的传感器组成。
分立器件解决方案有相当数量的元器件以及电路板布局中显著的杂散电感和分布
参数,生产制造成本高,可靠性风险高,并且尺寸更大,重量更重。
图 1:
:电机驱动
电机驱动变频器
驱动变频器方框图
变频器方框图
交流输入
微控制器
栅极驱动
整流桥
整流桥
功率输出级
电机
传感器
反馈控制
近年来,智能功率模块使用的迅速增加得益于更大程度的一体化水平。 ST 新的
SLLIMM 系列在单一封装中取代了超过 30 个分立器件。图 2 显示了基于分立器件方
案的变频器和 SLLIMM 方案之间的比较,很容易理解 SLLIMM 的优势,可以概括为
显著缩短了设计时间,减少了制造的麻烦,更高的灵活性,更广泛的应用范围,并增
加了系统的可靠性和质量水平。此外,优化的控制级和功率级的硅芯片和优化的电路
板布局最大限度地提高系统效率,降低 EMI 和噪声,更高层次的保护,并降低传输
延迟时间。
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 2: 分立器件方案变频器 和 SLLIMM 方案变频器
方案变频器的比较
变频器的比较
Passive components:
Diodes
Resistors
Capacitors
HV gate drivers
Reduce total
system cost
IGBTs + FWDs
Easy layout
and design
Reduced EMI
and noise
L
SL
High quality
and reliability
M
IM
Advanced
protection
function
Improve
Efficiency
1.1 产品简介
现有的 SLLIMM 系列产品,可以满足应用范围在 300W - 2.0KW 的很多场合,
如:
● 洗衣机
● 洗碗机
● 冰箱
● 空调压缩机驱动器
● 缝纫机
● 泵机
● 工具
● 低功率的工业应用
其主要特点和集成功能,可以概括如下:
● 600V 额定电压,10 – 20A 额定电流
● 三相 IGBT 逆变桥包括:
- 六个低损耗和短路保护的 IGBT
- 六个低正向压降和软恢复续流二极管
● 三个栅极驱动控制 IC,具有以下保护功能:
- 智能关断功能
- 防止过流和短路故障保护比较器
- 先进的电流检测运算放大器
- 三个集成自举二极管
- 联锁功能
- 欠压锁定
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
● NTC 温度监控热敏电阻
● 独立相电流检测的开放发射极配置
● 完全隔离的 DBC 封装技术增强导热特性
● 2500VRMS 绝缘电压
● 一些被动元件优化 IGBT 的开关速度
● 栅极驱动器偏置和噪声过滤
图 3 给出了使用 SLLIMM 的变频器方案框图。
图 3:
:SLLIMM 方框图
交流输入
整流桥
栅极驱动器
半桥输出
UVLO /
Dead time
Level
Bootstrap
Shift
diode
Smart
Comparator Shut
Down Op-Amp
栅极驱动器
微控制器
半桥输出
UVLO /
Dead time
Level
Bootstrap
Shift
diode
Smart
Comparator Shut
Down Op-Amp
电机
栅极驱动器
半桥输出
UVLO /
Dead time
Level
Bootstrap
Shift
diode
Smart
Comparator Shut
Down Op-Amp
NTC
温度检测
SLLIMM
反馈控制
集成在半桥方框图中的功率器件(IGBT 和续流二极管)专为电机驱动提供最大
的整体效率,这归功于传导损耗和开关损耗之间的优化权衡,减少的 dV/dt 和 di/dt 实
现了非常低的 EMI。
可供选择的 IC 栅极驱动器可以满足两个不同层次的功能,给予设计者更多的选
择:基本型,包括基本功能和具有更高的性价比。增强型,提供一些高级的控制方式
选项。
完全隔离的 SDIP 封装有两种封装形式,25 管脚封装(SDIP-25L)和 38 管脚封
装(SDIP-38L),由于 DBC 安装技术的发展水平,SLLIMM 提供了良好的散热特性,
同时实现非常高的绝缘电压(2500 VRMS),紧凑的尺寸和高可靠性。
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
1.2
产品系列和命名
表 1: SLLIMM 产品系列
特性
基本型
增强型
增强型
STGIPS10K60A
STGIPS14K60 STGIPL14K60 STGIPS20K60 STGIPL20K60
额定电压 (V)
600
600
600
600
600
额定电流@ TC = 25 °C (A)
10
14
15
18
20
3.8
3
2.8
2.4
2.2
SDIP-25L
SDIP-25L
SDIP-38L
SDIP-25L
SDIP-38L
44.4x22.0x5.4
44.4x22.0x5.4
49.6x24.5x5.4
44.4x22.0x5.4
49.6x24.5x5.4
DBC 基板
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
内置 NTC
Yes
No
Yes
No
Yes
集成自举二极管
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
关机保护功能
No
Yes
Yes
Yes
Yes
故障保护比较器
No
Yes (1 pin)
Yes (3 pins)
Yes (1 pin)
Yes (3 pins)
智能关断功能
No
Yes
Yes
Yes
Yes
电流检测运算放大器
No
No
Yes
No
Yes
联锁功能
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
欠压锁定
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes (3 pins)
Yes (3 pins)
Yes (3 pins)
Yes (3 pins)
Yes (3 pins)
Yes
Yes
Yes
Yes
Yes
高侧 IGBT 输入信号
高电平有效
高电平有效
高电平有效
高电平有效
高电平有效
低侧 IGBT 输入信号
高电平有效
低电平有效
低电平有效
低电平有效
低电平有效
单个 IGBT 最大热阻 (°C/W)
封装形式
封装尺寸(mm) X, Y, Z
发射极开路配置
兼容 3.3 V/5 V 接口输入
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图 4: SLLIMM 命名法则
命名法则
ST
G
IP
L
14
K
60
x
Special features
A = Basic version
L1 = Single phase
G = 3Φ IGBT + Diode
VCES voltage divided by 10
Technology
SLLIMM™ (IPM)
Package
L = SDIP-38L molded
N = NDIP-26L molded
S = SDIP-25L molded
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K, H = High frequency (8÷20 kHz)
W = Very High frequency (15÷50 kHz)
C = Medium frequency (4÷10 kHz)
Nominal current
IC current at TC=25 C
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1.3
内部线路框图
图 5: STGIPS10K60A 内部框图
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图 6: STGIPS14K60 和 STGIPS20K60 内部框图
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图 7: STGIPL14K60 和 STGIPL20K60 内部框图
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1.4
绝对最大额定值
绝对最大额定值,代表了器件的极限能力,通常用来作为一个最恶劣的限额设计
条件。需要注意的是,绝对最大值是在给定一测试条件下,如温度,频率,电压等。
不同的测试条件,器件性能会随之改变。
SLLIMM 产品规格如下所述,以 STGIPL14K60 产品数据表为例。如要了解其他
产品详细说明,请参阅各自的产品数据表。
表 2: STGIPL14K60 逆变部分
符号
参数
额定值
单位
VPN
P-NU, NV, NW 端子间电源电压
450
V
VPN(surge)
P-NU, NV, NW 端子间电源电压(含浪涌)
500
V
600
V
集电极发射极间电压(VIN
VCES
(1)
= 0)
±IC(2)
单管 IGBT [email protected] = 25 °C
15
A
±IC(3)
单管 IGBT 集电极峰值电流
30
A
PTOT
单管 IGBT 损耗@ TC = 25 °C
44
W
tSCW
短路耐受时间, VCE = 0.5*V(BR)CES,
(1)
Tj = 125 °C, V CC = Vboot = 15 V, VIN = 0÷5 V
5
us
(1) HINU,HINV,HINW, LINU , LINV , LINW 输入电压。
(2) 根据等式(1)计算而得。
(3) 脉冲宽度受限于最高结温。
等式 1
I C ( TC ) =
T j max − TC
Rth( j −c ) ⋅VCE( sat )(max)(@T j max,I C ( TC ))
(1)
● VPN:P- NU,NV,NW 端子间的电源电压
● VPN(surge):P- NU,NV,NW 端子之间的电源电压(含浪涌)
● VCES:集电极-发射极间电压
SLLIMM 的功率级以 VCES 额定值为 600V 的 IGBT(及续流二极管)为基础,考
虑到 SLLIMM 在切换过程中,由于内部的杂散电感可以产生高达 100V 的浪涌电压,
所以 P-N 间最大浪涌电压 VPN(surge)允许到达 500V,同时,由于 SLLIMM 和直流母
线电容器之间的杂散电感产生额外的 50V 电压,P-N 间(VPN)最大电源电压(稳
态)允许为 450V。
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 8 显示了输出级的寄生电感。注意有两个主要部分组成,一是由于 SLLIMM 的
内部布局,二是由于电路板布局。
图 8: 输出级的各种寄生
输出级的各种寄生电感
寄生电感
The real voltage over the IGBT Due to di/dt value and parasitic
Flat VPN
value
can exceed the rating voltage inductance the over-voltage spike
can appear on the SLLIMM pins
VPN
VPN(surge)
P
High
di/dt
value
HVIC
to motor
U, V, W
C
+
Vbus
N
SLLIMM
Parasitic inductance
due to the SLLIMM internal layout
Parasitic inductance
due to PCB layout
● ±Ic:单个 IGBT 的连续集电极电流
允许流入集电极的连续直流电流(TC= 25°C ),该 IC 参数根据等式 1 计算。
● tSCW:短路耐受时间
SLLIMM 内的 IGBT 是专为电机控制应用设计,因此,短路自我保护是模块的主
要功能之一。tSCW 代表非重复性的短路耐受时间。如果短路条件超过上述规格,模块
的使用寿命将大大缩短。强烈建议,禁止 SLLIMM 在这些条件下使用。
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表 3: STGIPL14K60 的控制部分
符号
参数
额定值
单位
VOUT
OUTU, OUTV, OUTW, 与GND端子间的输出电压
( VCC = 15 V)
Vboot -21 to Vboot +0.3
V
VCC
低压电源电压
-0.3 to 21
V
VCIN
比较器输入电压
-0.3 to VCC +0.3
V
Vboot
自举电压
-0.3 to 620
V
-0.3 to 15
V
漏级开路电压
-0.3 to 15
V
允许输出电压变化率
50
V/ns
HIN, LIN 的逻辑输入电压
VIN
V
SD /OD
dVOUT/dt
● VCC:低压供电
VCC 表示控制部分的电源电压。推荐本地滤波提高 SLLIMM 的抗扰度。一般来
说,建议使用一个电解电容(不能忽视 ESR 的大容量电容)和一个较小的陶瓷电容
(几百 nF)。另外 SLLIMM 内部已集成了一个小滤波电容连接到相应的引脚(见内
部电路图 5,6 和 7)。请参阅表 4,设定 VCC 正确驱动 SLLIMM。
表 4: Vcc 电源电压和工作性能
VCC 电压(典型值)(1)
工作性能
< 12 V
电压低于欠压锁定阈值电压,控制电路不能完全导通,功能不能保证。
12 V – 13.5 V
IGBT 能工作,但由于低的栅极信号电压导致传导损耗和开关损耗增加。
13.5 V – 18 V
推荐值 (见相关数据手册)。
18 V – 21 V
IGBT 能工作,开关速度快,饱和电流大,会造成 EMI 问题和短路损
坏。
> 21 V
超过绝对最大额定值 21V,控制电路会损坏。
(1) 除 STGIPS10K60A 外,更多详情参见相关数据手册。
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图 5: STGIPL14K60 全系统
符号
参数
额定值
单位
VISO
全端子-散热器间的绝缘电压(AC电压, t = 60 sec.)
2500
V
Tj(1)
工作结温
-40 to 150
°C
TC
模块表面工作温度
-40 to 125
°C
(1) 集成功率芯片的最高容许结温为 150°C (@T C = 100°C). 为了保证模块安全工作,规定芯片的
平均结温不得超过 125°C ( 模块表面温度不超过 100°C) 。
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
2
电气特性和功能
在本节中将讨论功率级的主要电气特性,并详细描述 SLLIMM 的所有功能。
2.1 IGBT
由于使用了 ST 专有的先进 PowerMESH™工艺制造的 IGBT,SLLIMM 在功率变
频级达到了节能的目的。这些 IGBT 功率器件,根据典型的电机控制开关频率进行了
优化,在饱和压降 VCE(SAT)和开关速度(tfall)之间提供了一个极佳的权衡,因此最
大限度地减少了传导和开关的两个主要来源的能量损耗,减少了日用设备对环境的影
响。完整系统的功率损耗分析将在第 4 章节:功率损耗和耗散做详细分析。
这类 IGBT 产品能够承受长达 5 微秒的短路耐受时间,满足目标应用。
2.2 续流二极管
SLLIMM 产品选用精心调整的 Turbo2 超快高压二极管,以达到 Trr / VF 最佳的权
衡,续流二极管的软恢复特性,进一步提高变频器的整体性能,并显著减少电磁干扰
(EMI)。
2.3 高压栅极驱动器
SLLIMM 配备了一个多功能的高压栅极驱动器集成电路(HVIC),使用 BCD
(Bipolar,CMOS 和 DMOS)工艺设计(见图 9),特别适合磁场定向控制(FOC)
马达驱动应用,它可以提供所有的功能,和高低侧 IGBT 驱动所需的电流能力。此驱
动器可以应用在所有需要高电压电平移位控制的场合,并且包含了一个取代外部自举
二极管的内部专利电路。
每一个高压栅极驱动器芯片控制的 IGBT 采用半桥拓扑,提供了譬如死区时间,
连锁功能,集成自举二极管等基本功能,而且还具备如智能关断(已申请专利),故
障保护比较器,以及一个专用的电流检测的高性能运算放大器等先进的功能。在表 1
中,总结性列出了器件的所有功能。
本应用笔记只讨论有关 SLLIMM 的高电压栅极驱动的主要特点,更深入的了解,
请参阅 AN2738 应用笔记。
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图 9: 高压栅极驱动器的芯片图
高压栅极驱动器的芯片图
图 10: 高压栅极驱动器方框图
高压栅极驱动器方框图
Bootstrap driver
VCC
Floating structure
BOOT
+
VCC
UV
detection
from µC
HIN
Shoottrough
prevention
CSD
OUT
SD/OD
GND
to motor
U,V,W
VCC
VBias
Shutdown
latch
Smart
shut
down
LVG
driver
LVG
N
+5V
CP+
+
CIN
Comp
-
RSF
CSF
+
VREF
DT
CDF
RDF
to ADC
to DC-link
CBOOT
HVG
S
R
LIN
from µC
from/to µC
HVG
driver
Level
shifter
Logic
+5V
RSD
P
UV
UV
DETECTION
detection
from LVG
VBOOT
Dead
time
VBias
VCC
OPOUT
+
Op-amp
HVIC
SLLIMM
-
OP+
OPRSHUNT
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2.3.1 逻辑输入
高电压栅极驱动 IC 具有两个逻辑输入,HIN 和 LIN,分别控制高侧和低侧输出:
HVG 与 LVG。请参阅表 1 器件输入逻辑信号。
为了防止高侧和低侧 IGBT 之间的同时导通,引入了安全时间(死区时间),
(见第 2.3.4 节:死区时间和联锁功能管理)。
所有的逻辑输入兼容 TTL 5V / CMOS 3.3V ,并提供迟滞电压(〜1V)降低噪
音敏感性。由于这种低电压逻辑接口的兼容性,SLLIMM 可用于任何一种高性能的控
制器,如 MCU,DSP 或 FPGA。
在图 11 和图 12 所示的框图中,逻辑输入有内部下拉(或上拉)电阻以便在中断
的情况下设置适当的逻辑电平。如果逻辑输入悬空,栅极驱动器输出 LVG 和 HVG 设
置在低电平。因为不需要六个外部电阻,简化了接口电路,所以,节省了电路板空间
和元件数目,节约了成本。
图 11: STGIPS10K60A 的逻辑输入配置
Bootstrap driver
VBOOT
P
VCC
UV detection
UV detection
High side
level
shifting
driver
Logic
HIN
Shoot-trough
prevention
LIN
Low side
driver
HVIC
SLLIMM
18/74
OUT
N
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图 12: STGIPS14K60, STGIPL14K60, STGIPS20K60 和 STGIPL20K60 的逻辑输入
配置
Bootstrap driver
VBOOT
P
VCC
UV detection
UV detection
High side
level
shifting
driver
Logic
HIN
OUT
+5V
Shoot-trough
prevention
Low side
driver
LIN
Shutdown
N
Smart SD
SD
CIN
+
HVIC
-
VREF
SLLIMM
内部上拉/下拉电阻的典型值参见表 6。
表 6: 内部上拉/下拉电阻典型值
内部上拉 下拉电阻典型值
输入脚
高侧 IGBT 栅极驱动
HINU, HINV, HINW
低侧 IGBT 栅极驱动
LINU, LINV, LINW
高侧 IGBT 栅极驱动
HINU, HINV, HINW
低侧 IGBT 栅极驱动
LINU , LINV , LINW
SD / OD 关断
型号
输入逻辑
内部上拉电阻
内部下拉电阻
STGIPS10K60A
高电平有效
500 kΩ
STGIPS10K60A
高电平有效
500 kΩ
高电平有效
85 kΩ
STGIPS14K60
STGIPL14K60
STGIPS20K60
STGIPL20K60
STGIPS14K60
STGIPL14K60
STGIPS20K60
STGIPL20K60
STGIPS14K60
STGIPL14K60
STGIPS20K60
STGIPL20K60
低电平有效
低电平有效
720 kΩ
125 kΩ
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2.3.2 高电压电平移位
在电源电压高达 600V 的应用中,内置的高电压电平移位允许低电压控制输入和
高电压功率半桥之间直接连接,这归功于集成的 BCD 工艺技术,它把双极性器件,
低中压的 CMOS 模拟和逻辑电路以及击穿电压超过 600V 的高压 DMOS 晶体管集成
在同一芯片。这个关键的特性使电路不需要外部光耦合器,因此节省了元器件数目,
降低了功率损耗。另外还有适合高频操作和缩短输入输出延迟等优点。
2.3.3 欠压锁定
欠压锁定(UVLO)电路持续监测 SLLIMM 低电源电压 VCC,当 VCC 电压低于
VCC_thOFF 门槛时(在产品数据表中定义),欠压锁定电路关闭栅极驱动器的输出,当
VCC 高于 VCC_thON 门槛时,开通栅极驱动器的输出,并提供 1.5V 左右的迟滞电压避
免噪音的影响。同时自举电压 Vboot 也提供了类似的欠压锁定电路。当驱动器处于
UVLO 时,两个栅极驱动器输出为低电平,使半桥功率级输出为高阻抗。
欠压锁定时序图见图 13,基于以下步骤:
● t1:VCC 电源电压提高 VCC_thON 门槛时,栅极驱动器启动。电路的状态变为复
位(RESET)。
● t2:输入信号 HIN/LIN 工作,IGBT 打开。
● t3:当 VCC 电源电压低于 VCC_thOFF 门槛时,检测到 UVLO。此时,即使输入
信号 HIN/LIN 工作,但 IGBT 关闭。电路处于设置状态(SET)。
● t4:当 VCC 电源电压再次上升到 VCC_thON 门槛,栅极驱动器重新启动。
● t5:输入信号 HIN/LIN 工作,IGBT 再次开启。
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图 13: 欠压锁定功能时序图
VCC_thON
VCC
≈
≈
VCC_thOFF
IC
SET
Circuit state
RESET
Time
t1
≈ ≈
HIN/LIN
RESET
t2
t3
t4 t5
2.3.4 死区时间和联锁功能管理
为了防止高侧 IGBT 和低侧 IGBT 之间任何可能的共通,SLLIMM 提供了死区时
间和联锁功能。联锁功能是一个逻辑操作,当输入电平同时有效时,设置输出同时为
低电平。 死区时间是器件引入的一个安全时间,指一个驱动器输出的下降沿和另一
个驱动器输出的上升沿之间的时间, 如果由用户外部设置的上升沿发生在死区时间
结束前,上升沿被忽略,直到死区时间结束。
表 7: STGIPS10K60A 的联锁功能真值表
逻辑输入 (VI)
状态
联锁
半桥三态高阻
0 “logic state”
半桥三态高阻
1 “logic state”
低侧驱动
1 “logic state”
高侧驱动
输出
LIN
HIN
LVG
HVG
H
H
L
L
L
L
L
L
H
L
H
L
L
H
L
H
STGIPS10K60A 内部设定的死区时间典型值为 320ns.
21/74
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表 8: STGIPS14K60, STGIPL14K60, STGIPS20K60, 和 STGIPL20K60 的联锁功能
真值表
逻辑输入(VI)
状态
注:
关机有效
半桥三态高阻
联锁
半桥三态高阻
0 “logic state”
半桥三态高阻
1 “logic state”
低侧驱动
1 “logic state”
高侧驱动
X: 无关的。
输出
SD
LIN
HIN
LVG
HVG
L
X
X
L
L
H
L
H
L
L
H
H
L
L
L
H
L
L
H
L
H
H
H
L
H
STGIPS14K60, STGIPL14K60, STGIPS20K60 和 STGIPL20K60 内部设定的死
区时间典型值为 600ns,它们的死区时间和连锁功能管理在图 14 中详细描述。
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图 14: 死区控制和联
死区控制和联锁功能时序表
2.3.5 故障检测比较器
故障检测比较器
SLLIMM 系列(参考产品系列表 1)集成了三个比较器用于故障保护,如过流,
过热或其他任何类型的可以通过电压信号来测量的故障。每个比较器在反相输入端有
一个内部参考电压 VREF(在数据表中定义)(见图 10),非反相输入端通过 CIN 引
脚(每个半桥有一个)。比较器输入可以连接到外部采样电阻,以实现一个简单的过
流或短路检测功能,将在第 2.3.6 节:短路保护和智能关机功能中详细讨论。然而,
这三个内部比较器,它们可以单独使用,以实现三个独立的控制。
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2.3.6 短路保护和智能关断
短路保护和智能关断功能
当 SLLIMM 监测输出电流时,由于智能关断功能,模块在很短的时间(比较器
触发到关闭高/低侧驱动器,延迟时间 tisd = 200ns)提供过流和短路保护。此功能基
于创新的专利电路,它提供了一个智能故障管理操作,大大减少了由用户设定的保护
干预延迟时间。
正如第 2.3.5 节已经提到的和图 10 显示的,每个比较器的输入可以连接到一个外
部采样电阻 RSHUNT,实现一个简单的过电流检测功能,同时,必须需要一个 RC 滤波
网络(RSF 和 CSF)防止误操作。比较器输出信号被送入集成的 MOSFET,该
MOSFET 漏极开路,在 SD /OD 脚位输出,并与 SD 输入共享脚位。当比较器触
发,器件设置在关闭状态,所有输出设置为低电平,半桥处于三态高阻。在普遍的过
流保护架构中,通常比较器的输出连接到 SD 输入,一个外部 RC 网络(RSD 和
CSD)连接到这个 SD /OD,当故障发生时,提供一个单稳电路来实现保护时间。
相反,在 SLLIMM 中,一旦发生故障,新的智能关断功能允许立即关闭输出栅极
驱动器,而不必等待外部电容放电。这一策略最大限度地减少故障检测到实际输出关
闭之间的延迟时间。事实上,得益于新架构,在驱动器内部有一个优先的路径,故障
发生和关闭输出之间的时间延迟是不依赖于外部 SD 电路的 RC 值。器件立即关闭驱
动器输出并锁存漏极开路开关,直到 SD 信号下降到其下限阈值电压(Vsd_L_THR)。
SD 信号低于下限阈值电压(Vsd_L_THR)后,漏极开路开关关闭(见图 16)。
通过增加 SD 引脚上外部 RC 网络的数值,智能关断系统也给使用者想要尽量多
的禁用时间(从故障发生到输出关闭的时间)提供了可能性,而且这不损害 SLLIMM
延迟保护时间。
智能关断结构框图如图 15 所示。
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图 15: 智能关断
智能关断等效电路
等效电路
LIN
LVG
HIN
HVG
VBias
SD
FSD
Q
S
+
CP+
Comp
-
+
VREF
Q
R
SET dominant FF
HVIC
SLLIMM
Except for STGIPS10K60A
在正常运行时,输出遵循各自收到的的输入信号进行操作。
当检测到故障发生时,故障信号(FSD)由故障检测电路的输出设置为高,触发
器收到 SET 输入信号。因此,在触发器输出设置 SLLIMM 的输出信号为低电平,在
同一时间,打开漏极开路 MOSFET。请注意,当检测到故障后,尽管故障信号可以
立即回到低电平,但栅极驱动器输出仍保持在低电平,直到 SD 引脚经历了下降沿和
上升沿。事实上,即使触发器被 SD 输入下降沿复位,由于两个与门 (ADD 口),
SD 信号仍然有效使输出关闭。此外,一旦内部漏极开路晶体管被激活,由于闩锁,
直到 SD 引脚电压达到低逻辑电平,它才能关闭。请注意,因为触发器是 SET 占主
导地位,如果故障信号(FSD)保持稳定在高电平, SD 引脚的振荡是可以避免的。
2.3.7 短路保护和智能关断
短路保护和智能关断功能时序图
功能时序图
参考图 16,短路保护是基于以下步骤:
● t1:当输出电流低于最大允许值,SLLIMM 正常运行。
● t2:当输出电流达到最大允许值(ISC),检测到过流/短路,保护被激活。通过
采样电阻的电压加到 CIN 引脚上,超过 VREF 值,比较器触发,器件设置为关断状态,
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其输出为低电平,半桥驱动为三态高阻。智能关断功能通过优先的路径关闭 IGBT 栅
极(HVG,LVG)(内部延迟时间典型值为 200 ns),同时,导通内部 MOSFET
M1。 SD 信号开始放电,其下降时间值为时间常数τA。时间常数τA 由下式给出:
等式 2
τ A = (RON _ OD // RSD )⋅ CSD
(2)
● t3: SD 信号到达下限阈值 Vsd_L_THR,控制单元关闭输入 HIN 和 LIN。智能关
断被禁用(M1 关断)和 SD 开始上升,其时间常数τB 值由下式给出:
等式 3
τ B = RSD ⋅ CSD
(3)
● t4:当 SD 信号达到上限阈值 Vsd_H_THR,系统重新启动。
图 16: 智能关断功能时序图
ISC
Time Constants
SD discharge time
τA = (RON_OD//RSD)*CSD
IC
VREF
SD recharge time
τB = RSD*CSD
RC circuit time
constant
VSHUNT (··VCIN)
Shutdown circuit
HVG/LVG
VBias
RSD
SD
Vsd_H_THR
Vsd_L_THR
τA
τB
from/to µC
CSD
SD/OD
Smart
shut
M1 down
M1
RON_OD
SLLIMM
HIN/LIN
Time
26/74
t1
t2
t3
t4
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2.3.8 电流检测采样
电流检测采样电阻的选择
采样电阻的选择
如前所述,采样电阻 RSHUNT 连接在 N 引脚和地之间(见图 10),实现过流检
测。当输出电流超过短路电流参考值(ISC),CIN 信号电压值就超过比较器的 VREF
值,短路保护被激活。为了确保可靠和稳定的操作,电流检测电阻应该是低容差非电
感性高品质的电阻。事实上,包括电路板布局,RC 滤波器,采样电阻在内的电路杂
散电感必须尽量减少,以避免意外的短路检测。
由于这些原因,采样电阻和滤波元件必须尽可能靠近 SLLIMM 引脚,其他建议参
考 5.1 节:布局的建议。
电流检测电阻值可以按照不同功能设计规格或要求进行计算。一个共同的准则基
于以下步骤:
● 定义过流阈值(IOC_th)。例如,可以考虑 IGBT 在应用中的典型工作电流再
加上 20% ~ 30%过流裕量确定下来。
● 根据条件网络计算采样电阻值。一个条件网络的例子在图 22 所示。详情在用
户手册中列出(见参考 7,参考 8,参考 9)。
● 选择最接近标称电阻值的采样电阻。
● 计算采样电阻的额定功率,同时考虑这参数与温度有关。因此,在如下计算
中必须考虑功率降额比ΔP(T) %(参见制造商的数据表)。
等式 4
2
RSHUNT ⋅ I RMS
PSHUNT ( T ) =
∆P( T )%
(4)
其中 IRMS 是 IGBT 的有效工作电流。
为了正确选择采样电阻,建议在额定功率计算值上增加至少 30%的安全裕量。
2.3.9
RC 滤波器网络选择
可以采用两种不同的采样电阻电路(单电阻或三电阻),以实现不同的控制技术
和短路保护,如图 17 所示。为了避免采样电阻上的噪声引起无谓的短路保护动作,
需要一个 RC 滤波网络。
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图 17: 短路保护电路示例
NU
NV
NW
RSF
CIN
RSHUNT
NU RSHUNT_U
NV RSHUNT_V
NW RSHUNT_W
CSF
SLLIMM
SLLIMM
1-shunt resistor circuit
CIN
RSF
RSHUNT
CSF
3-shunt resistors circuit
这两种解决方案可以检测变频器的三个相位的总电流。基于 RSF 和 CSF 的噪声滤
波器,其时间常数为:
等式 5
tSF = RSF ⋅ CSF
(5)
除 RC 时间常数之外,关断栅极驱动器的传播延迟 tisd(在数据表中定义)和
IGBT 关断时间(几十 ns 的范围),必须考虑在总的延迟时间(tTotal)内。总的延迟
时间是一旦检测到短路事件到完全关闭 IGBT 所需的时间。因此,tTotal 的计算公式如
下:
等式 6
tTotal = tSF + tisd + toff
(6)
考虑到 IGBT 的短路耐受时间(tSC)是 5us,建议 tSF 设置在 1us〜2us 范围之内。
在三采样电阻电路的情况下,通过使用三个采样电阻(RSHUNT-U,RSHUNT-V 和
RSHUNT-W)去监控每个相电流,可以实施特别的控制技术。
图 18 所示了一个短路事件的例子,其中要注意的是智能关断功能对故障事件有
非常快的保护,主要步骤如下:
● t1:集电极电流 IC 开始上升。由于在 CIN 引脚上的 RC 网络延迟,没有检测到
SC 事件。
● t2:VCIN 电压达到 VREF。检测到短路事件,智能关断开始关闭 SLLIMM。
● t3:彻底关闭 SLLIMM,关断时间少于 300ns(包括 IGBT 的 td(off) 时间)。
最后,总的禁用时间是 t3-t2,总的短路保护时间是 t3-t1。
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图 18: 短路保护实例
Example of SC event
290ns
HIN
P
to DC-link
HIN
HVIC
U, V, W
to motor
CIN
IC / 20
IC
VREF
N
SLLIMM
RSHUNT
Time
IC = 0.5A/Div (x 20)
t1
HIN = 2V/Div
t2
t3
CIN = 1V/Div
t = 200ns/Div
CIN
SC event on the
low side IGBT
2.3.10 过温保护
STGIPS10K60A,STGIPL14K60 和 STGIPL20K60 配有负温度系数(NTC)热
敏电阻实现一个简单的过温保护,在温度变化缓慢或温度测量的情况下,实时发送此
信息给单片机。由于 SLLIMM 热阻抗自身的时间常数,NTC 热敏电阻不适合直接检
测功率器件快速上升的结温度。因此,它不能被用于短路或过流保护,只能监测温度
的缓慢变化。
NTC 热敏电阻的电阻温度特性见图 19,是非线性的,可由下面的表达式描述
等式 7
R( T ) = R25 ⋅ e
1 1 
B −

 T 298 
(7)
其中 T 为开尔文温度,B 和 R25 分别表示在 SLLIMM 工作范围内的常数和 25°C 时的
电阻值,这两个参数在参数表中有显示。
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图 19: NTC 阻值的
阻值的温度特性
温度特性曲线
特性曲线
利用一个电压分压器简单电路,可以同时实现过温保护和温度监测,见图 20 所
示。
图 20: 过温保护电路示例
+VDD
T1
NTC
T2
+
COT
SD
SLLIMM
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ROT VNTC_th
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在 SLLIMM 模块过热的情况下,可以用外部比较器发送关机信号。VNTC_th 是设计
者确定的一个阈值电压,与非反相输入端连接,而反相输入端连接在 NTC 和 ROT 的
分压器上,当反相输入电压超过了 VNTC_th 的值,比较器触发,拉低 SD ,从而关闭
IGBT。
对于一个大小适当的分压器,首先确定其允许的最高温度(TOT_Max),因此热敏
电阻由等式 7 和图 19 给定。ROT 的值可以由分压器公式计算出:
等式 8
V −( T ) =
ROT
⋅ VDD
RNTC ( T ) + ROT
(8)
同时考虑到,如果 T= TOT_Max,那么 V-(TOT_Max) = VNTC_th。
为了保证安全的工作条件和避免由于自身受热而产生的功率耗散对温度测量的影
响,在所有工作范围内,热敏电阻允许的最大功耗应不超过 50mW。因此,考虑 T =
TOT_Max,它必须是:
等式 9
 VDD
RNTC ⋅ I 2 = RNTC ⋅ 
 RNTC + ROT
2

 ≤ 50mW

(9)
最后,为了增加 NTC 热敏电阻的抗噪声性能,建议并行一个去耦电容(COT),
其值必须介于 10nF 至 100nF。
2.3.11 先进的电流检测
先进的电流检测运
检测运算放大器
SDIP-38L 封装的 SLLIMM,还集成了适合磁场定向控制(FOC)应用的三个运
算放大器。在典型的 FOC 应用中,使用单采样电阻检测三个半桥的电流。模拟电流
信息转化为一个不连续的感应电压信号,它具有与半桥 PWM 驱动信号相同的频率。
感应电压是双极性模拟信号,其符号取决于电流的方向(见图 21):
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图 21: 三相马达控制系统
3-phase driver
Sinusoidal Vector Control
VS
VS
Sensing:
Discontinuous Voltage at fPWM frequency
VS
Power
stage
3-phase
motor
IPHASE
感应电压信号必须提供给一个 A/D 转换器。为了利用 A/D 转换器的全部范围,它们
通常需要专用运算放大器去移位和放大。典型的原理和主要波形如图 22 所示:
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图 22: 一般电流检测原理图和波形
一般电流检测原理图和波形
to DC-link
Sense voltage signal
to motor
Shifted and centered
signal
Amplified signal
Filtered signal
VREF
R3
R5
ROUT
OP+ +
Op-amp
RSHUNT
R4
Vsense
OP-
Half-bridge
current sensing
R1
COUT
R2
C2
Voltage
shifting
of the Vsense
to ADC
-
Voltage gain
and filtering
ROUT
required to
make the
op-amp stable
COUT
required by the ADC
for sampling purpose
在矢量控制应用中使用的 ADC 的典型满量程范围(FSR)约 3.3V。感应信号必须移
位和集中在 FSR/2 电压(约 1.65V),通过增益放大使之在感应信号的最大值和
ADC 的 FSR 之间匹配。检测网络的一些典型例子,在用户手册中列出(见参考 7,
参考 8,参考 9)。
2.3.12 自举电路
三相变频器的低侧 IGBT 的发射极连接到直流母线负端(VDC-)作为共同的参考
地,这允许所有低侧栅极驱动器共享相同的电源电压,同时,在工作过程中,高侧
IGBT 的发射极交替连接到直流母线的正极(VDC+)和负极(VDC-)。
自举法是一种简单而廉价的提供高电压的解决方案。此功能通常是通过一个高压
快恢复二极管来实现。SLLIMM 包含了一个取代外部二极管的一体化结构专利技术,
通过一个与低侧驱动器(LVG)同步驱动的高压 DMOS,和一个串联的二极管来实
现。内部电荷泵提供 DMOS 的驱动电压。
自举电路的操作,如图 23 所示。浮动电源自举电容 CBOOT 从电源 VCC 充电,当
VOUT 的电压低于 VCC 电压(如低侧 IGBT 导通),通过自举二极管和 DMOS 的路径
(参考“自举充电电流路径”)。在高侧 IGBT 导通阶段,自举电路提供合适的栅极电
压,正确驱动 IGBT(见“自举放电电流路径”)。在三个半桥电路都有该自举电路。
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图 23: 自举电路
自举电容 CBOOT 的电容值应根据实际应用条件来计算,同时考虑以下情况:
● CBOOT 两端的电压必须保持在一个高于驱动 IC 的欠压锁定电平的电压值。这使
高侧 IGBT 工作在正确的栅极电压(以达到低的功耗和更好的总体性能)。请注意,
如果自举通道的电压低于 UVLO 阈值,IC 禁用(没有输出),但不会有任何故障信
号出现。
● CBOOT 两端的电压受不同的元器件影响,如集成自举电路的电压降,低侧 IGBT
的电压降,等等。
● 当高侧 IGBT 导通时,CBOOT 放电,提供合适的 IGBT 栅极电荷,但必须考虑泄
漏电流,静态电流等等。
2.3.13 自举电容的选择
关于自举电容大小的选择,简单的方法是只须考虑当高压侧驱动器浮动时,IGBT
栅极驱动一次所需的电荷量,不必考虑 PWM 的占空比或当前的基本频率。在自举电
容充电阶段,低侧 IGBT 导通,自举电容 CBOOT 两端电压(VCBOOT)的电压可以计算
如下:
等式 10
VCBOOT = VCC − VF − VRDS( on ) − VCE( sat ) max
34/74
(10)
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其中:
Vcc:栅极驱动器的电源电压
VF:自举二极管的正向压降
V CE(sat)max:低侧 IGBT 的最大饱和电压降
VRDS(ON): DMOS 电压降
当高侧 IGBT 导通时,自举电容 CBOOT 值的大小必须保证最小的自举电容压降
(∆VCBOOT):
等式 11
∆VCBOOT = VCC − VF − VRDS( on ) − VGE(min) − VCE( sat ) max
(11)
同时满足条件:
VCBOOT (min) > VBS _ thON
(12)
其中:
VGE(min):高侧 IGBT 最小的的栅极发射极电压
VBS_thON:自举欠压锁定开启阈值电压(最大值,见数据表)
考虑 VCBOOT 下降的因素,自举电容的总电荷(在高侧 IGBT 导通时)为:
等式 13
QTOT = QGATE + (I LKGE + I QBO + I LK + I LKDiode + I LKCap )⋅ t Hon + QLS
(13)
其中:
QGATE: IGBT 总的栅极电荷
ILKGE:IGBT 栅极发射极漏电流
IQBO:自举电路的静态电流
ILK:自举电路的漏电流
ILKDiode:自举二极管的漏电流
ILKCap:自举电容的漏电流(当使用电解电容时有关,如果使用其他类型的电容器,
可以忽略不计)
tHON:高侧导通时间
QLS:通过内部电平移位器所需的电荷
最后,自举电容的最小值是:
等式 14
C BOOT =
QTOT
∆VCBOOT
(14)
为了更容易选择自举电容,图 24 显示了在不同 ∆VCBOOT 值的条件下,,连续正弦波
调制,占空比 δ=50%,结合公式 14,STGIPS20K60 和 STGIPL20K60 的 CBOOT
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(计算值)与开关频率(fSW)的特性曲线。对于其他所有器件,可以使用相同的曲
线计算自举电容。
图 24: 自举电容频率特性曲线
5
STGIPx20K60
δ=50%
CBOOT Calculated (uF)
4
3
∆VCBOOT=0.1V
2
∆VCBOOT=0.3V
∆VCBOOT=0.5V
1
0
0
5
10
15
20
fsw (kHz)
考虑到 PWM 控制和电路板布局的漏电流和分散性的极限情况,自举电容值必须
是按照图 24 所示 CBOOT 计算值的两到三倍。自举电容必须是一个低 ESR 值的去耦电
容,在使用电解电容的情况下,强烈建议在靠近 SLLIMM 旁并接一个陶瓷电容。
2.3.14 自举电容初始充电
在启动模块时,自举电容需要适当的时间来完成初始充电,称之为初始充电时间
(tCHARGE)。在公式 12 已经表示,VCBOOT 需要超过欠压锁定开启阈值电压
VBS_thON。在正常运行时,自举电容两端的电压不会低于欠压锁定关断阈值
VBS_thOFF。启动期间,只有低侧 IGBT 开通后,PWM 开始运行,以下步骤如图 25 所
示:
● t1:自举电容通过低侧 IGBT(LVG)开始充电。
● t2:自举电容(VCBOOT)两端的电压达到其欠压锁定开启阈值 VBS_thON。
● t3:自举电容完全充电,启动高侧 IGBT,CBOOT 电容开始放电,以提供合适的
IGBT 栅极电荷。在低侧 IGBT(LVG)导通过程中,自举电容再次充电。
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图 25: 自举电容初始充电时间
VCC
DC Bus VPN
HVG
LVG
VBS_thON
VBS_thOFF
VCBOOT
Time
t1
t2
t3
为了安全起见,初始充电时间必须至少三倍于由等式 15 给出的计算值。
等式 15
tCHARGE ≥
CBOOT ⋅ RDS ( on )
δ
 VCC 

* ln
∆
V
 CBOOT 
(15)
其中 δ 是 PWM 信号的占空比,RDS(on)典型值为 120Ω,在数据表中所示。
可以用一个实际的电机驱动应用例子来考虑,PWM 开关频率为 12.5kHZ,50%
的占空比,∆VCBOOT=0.1 V(这意味着,栅极驱动器供电电压 VCC=17.6 V)。从图
24 中,自举电容为 1.5µF,因此,CBOOT 可以选择使用 3.0µF 和 4.5µF 之间的值。根
据电容的标称值,自举电容值选用 3.3µF 的。从等式 15,最初的充电时间是:
等式 16
t CHARGE
3.3 ⋅ 10 −6 ⋅ 120  17.6 
≥
⋅ ln
 = 4ms
0.5
 0.1 
(16)
为安全起见,初始充电时间必须至少为 12ms。
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3 封装
SLLIMM 的好处在于紧凑的封装,同时提供高功率密度,最佳的热性能,和高电
气隔离性能(>2500 VRMS)。SDIP 封装是双列成型模块,有 25 引脚封装 (SDIP25L)和 38 引脚封装(SDIP-38L)两种,在功率级采用先进的 DBC 安装技术,而控
制级则组装在 PCB 板层上。同时使用真空焊接工艺,避免了在焊接过程中的任何气
体(空隙)侵入导致潜在的热点。该工艺由于提高了导热性和导电性,从而进一步提
高了 SLLIMM 的可靠性。
这项封装技术实现了非常低的热阻值,高稳定性的热循环,最佳的成本效益和质
量水平的小体积模块。
3.1 DBC (Direct Bonding Copper )基板
)基板
DBC 意味着铜直接键合,表示在工艺过程中,铜和陶瓷材料直接键合,如图 26 所
示。铜直接键合基板的技术,多年来被证明是解决高功率半导体模块电气隔离和导热
特性的优秀方案。
图 26: DBC 结构
DBC 基板的优点,首先,由于金属铜板的厚度,使其具有大电流承载能力,其
次,它的热膨胀系数跟在铜表面的硅芯片接近。DBC 的有两个铜层直接熔接到铝氧
化物(Al2O3)的陶瓷基板。DBC 的工艺产生超薄基板,消除了之前需要的厚重铜基
板,因为 SLLIMM 的 DBC 基板只有较少的板层,比起使用其他不同的材料,它具有
低得多的热阻值。
DBC 陶瓷基板的主要性能
DBC 的主要性能包括:良好的机械强度,性能稳定的机械形状,良好的附着力和耐
腐蚀性,而且还可以提供:
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●
●
●
●
●
●
优异的电气隔离性能
良好的导热系数
热膨胀系数接近硅,不需要接口层
良好的散热
结构类似 PCB 或 IMS(绝缘金属基片)
清洁环保
3.2 印刷电路板 PCB
一个 PCB 板提供了栅极驱动器 IC 的机械支持和电气连接的导电通路。内部 PCB
板对实现各种电气配置提供可能,插入一些被动元件,如电阻,电容去正确偏置栅极
驱动器,同时必要时增加一些先进的功能。滤波电容器的插入,直接跨越在栅极驱动
器引脚,提高 SLLIMM 的抗噪声能力。图 27 显示了内部 PCB 板细节。
图 27: PCB 结构
3.3 封装结构
图 28 和图 29 分别给出了 SDIP-25L 封装和 SDIP-38L 封装的实物图和内部构造插
图。
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 28: SDIP-25L 封装实物图及内部构造
Top view
Bottom view
z
x
SLLIMM
SDIP-25L
HVIC
PCB
IGBT
FWD
DBC
Internal view
40/74
y
Main dimensions
x = 44.4 mm
y1 = 22 mm (body only)
y2 = 25.22 mm (including leads)
z1 = 5.4 mm (body only)
z2 = 11.6 mm (including leads)
SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 29: SDIP-38L 封装实物图及内部构造
Top view
Bottom view
z
x
SLLIMM
SDIP-38L
HVGD
PCB
IGBT
FWD
DBC
Internal view
y
Main dimensions
x = 49.6 mm
y1 = 24.5 mm (body only)
y2 = 29.1 mm (including leads)
z1 = 5.4 mm (body only)
z2 = 10.91 mm (including leads)
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
3.4 外形封装尺寸
图 30: SDIP-25L 外形封装尺寸图
外形封装尺寸图
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
表 9: SDIP-25L 外形封装尺寸
(mm)
尺寸
Min.
A
A1
A2
A3
B
B1
B2
C
C1
C2
e
e1
e2
e3
F
F1
R
T
44
0.95
1.2
39
21.6
11.45
24.83
5
6.4
11.1
1.95
3.2
4.3
6.1
0.8
0.3
1.35
0.4
Typ.
25.22
2.35
3.6
4.7
6.5
1
0.5
0.55
Max.
44.8
1.75
2
39.8
22.4
12.25
25.63
5.8
7.4
12.1
2.75
4
5.1
6.9
1.2
0.7
2.15
0.7
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 31: SDIP-38L 外形封装尺寸图
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
表 10: SDIP-38L 外形封装尺寸
(mm)
尺寸
Min.
A
A1
A2
A3
B
B1
B2
B3
B4
C
C1
C2
e
e1
e2
e3
e4
e5
e6
F
F1
R1
T1
49.1
44.1
1.37
1.23
24
27.1
28.6
11.25
12.05
5
6.4
10.41
1.1
3.2
5.8
4.6
5.6
6.3
4.5
0.8
0.35
1.3
0.45
Typ.
27.6
29.1
1.3
3.4
6
4.8
5.8
6.5
4.7
1
0.5
0.55
Max.
50.1
45.1
1.47
2.23
25
28.1
29.6
12.45
13.25
6
7.4
11.41
1.5
3.6
6.2
5
6
6.7
4.9
1.2
0.65
2.1
0.65
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
3.5 输入和输出管
输入和输出管脚描述
本章节定义 SLLIMM 的输入和输出管脚。更准确的描述和布局的建议,请参见有
关章节 。
图 32: SDIP-25L 封装管脚
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
表 11: SDIP-25L 封装的输入和输出管脚
端子名
端子号
端子号
STGIPS10K60A
1
2
3
LINU
U 相自举电压端子
LINU
LINV
低压电源端子
V 相自举电压端子
Gnd 端子
T1
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
T2
V 相低端逻辑输入端子
(低有效)
W 相高端参考输出端子
W 相自举电压端子
LINW
NW
W
P
NV
V
P
NU
U
P
V 相低端逻辑输入端子
(高有效)
V 相高端逻辑输入端子
W 相低端逻辑输入端子
(高有效)
W 相低端逻辑输入端子
(低有效)
W 相高端逻辑输入端子
HINW
15
U 相低端逻辑输入端子
(低有效)
V 相高端参考输出端子
HINV
OUTW
VbootW
14
U 相低端逻辑输入端子
(高有效)
U 相高端逻辑输入端子
LINV
LINW
STGIPS14K60
STGIPS20K60
STGIPS10K60A
U 相高端参考输出端子
HINU
VCC
OUTV
VbootV
GND
10
11
12
13
STGIPS14K60
STGIPS20K60
OUTU
VbootU
4
5
6
7
8
9
描述
SD / OD
NTC 端子 1
关机保护逻辑输入端子 (低有
效) / 漏极开路端子(比较器输
出)
CIN
NTC 端子 2
比较器输入端子
W 相直流负端输入端子
W 相输出端子
直流输入端子
V 相直流负端输入端子
V 相输出端子
直流输入端子
U 相直流负端输入端子
U 相输出端子
直流输入端子
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 33: SDIP-38L 封装管脚
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
表 12: SDIP-38L 封装的输入和输出管脚
端子号
STGIPL14K60 STGIPL20K60
端子名
描述
1
2
OUTU
VbootU
U 相高端参考输出端子
U 相自举电压端子
3
LINU
U 相低端逻辑输入端子 (低有效)
4
5
6
7
8
9
10
HINU
OP-U
OPOUTU
OP+U
CINU
OUTV
VbootV
U 相高端逻辑输入端子
U 相运算放大器反相端输入端子
U 相运算放大器输出端子
U 相运算放大器非反相端输入端子
U 相比较器输入端子
V 相高端参考输出端子
V 相自举电压端子
11
LINV
相低端逻辑输入端子 (低有效)
12
13
14
15
16
17
18
HINV
OP-V
OPOUTV
OP+V
CINV
OUTW
VbootW
V 相高端逻辑输入端子
V 相运算放大器反相端输入端子
V 相运算放大器输出端子
V 相运算放大器非反相端输入端子
V 相比较器输入端子
W 相高端参考输出端子
W 相自举电压端子
19
LINW
W 相低端逻辑输入端子 (低有效)
20
21
22
23
24
25
HINW
OP-W
OPOUTW
OP+W
CINW
VCC
W 相高端逻辑输入端子
W 相运算放大器反相端输入端子
W 相运算放大器输出端子
W 相运算放大器非反相端输入端子
W 相比较器输入端子
低压电源端子
26
SD / OD
关机保护逻辑输入端子 (低有效) / 漏极开路端子(比较器输出)
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
GND
T2
T1
NW
W
P
NV
V
P
NU
U
P
Gnd 端子
NTC 端子 2
NTC 端子 1
W 相直流负端输入端子
W 相输出端子
直流输入端子
V 相直流负端输入端子
V 相输出端子
直流输入端子
U 相直流负端输入端子
U 相输出端子
直流输入端子
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高侧偏置电压引脚
高侧偏置电压参考
偏置电压引脚 /高侧偏置电压参考
引脚:Vbootu-OUTU,Vbootv-OUTV,Vbootw-OUTW
● 自举电路实现一个简单而有效的浮动电源,以提供高侧 IGBT 的栅极电压信号。
● SLLIMM 内部集成了自举二极管,帮助用户节省电路板空间,元件数目和成本。
● 自举电路的优点是无需给高侧 IGBT 提供单独的电源。
● 在低侧 IGBT 导通时,每个自举电容从 VCC 电源充电。
● 为了防止由于电源电压的噪声和纹波引起的故障,高性能(低 ESR,低 ESL)滤波
电容器应靠近这些引脚安装。
● 自举电容值的选择严格按照应用条件。请参考 2.3.12 节:自举电路。
栅极驱动器偏置电压
引脚: VCC
● 内置 IC 的电源引脚。
● 为了防止电源电压的噪声和纹波引起故障,高性能(低 ESR,低 ESL)滤波电容器
应靠近该引脚安装。
栅极驱动电源地
引脚:GND
● 内置 IC 的接地参考引脚。
● 为了避免噪音的影响,功率电路电流不应流入此引脚(见第 5.1 节:布局建议)。
输入信号
输入信号
引脚:HINU,HINV,HINW;LINU,LINV,LINW; LINU , LINV , LINW
● 这些引脚控制内置 IGBT 的运作。
● HINU,HINV,HINW,LINU,LINV 和 LINW 引脚信号是逻辑高电平有效。当一个逻辑
电平(高于 IGBT 开启阈值电压)加到这些端子时,与之相应的 IGBT 就开通。
● LINU , LINV , LINW 引脚信号是逻辑低电平有效。当一个逻辑电平(低于 IGBT 开
启阈值电压)加到这些端子时,与之相应的 IGBT 就开通。
● 每个输入引线应尽可能短,以保护 SLLIMM 免受噪声的影响。
内部比较器的非反相端
内部比较器的非反相端
引脚:CINU,CINV,CINW
●与每相相连的电流采样电阻,通过内部比较器(引脚CINU,CINV, CINW)来检测短
路电流。
● 电流采样电阻的选择,应与具体应用的检测条件相匹配。
● 一个RC滤波器(时间常数通常为~1µs)应与CINU,CINV, CINW引脚连接,以消除
噪音。
● 电流采样电阻和CINU,CINV, CINW引脚之间的引线尽量要短。
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● 如果加到该引脚CIN的电压信号值高于指定的VREF(见数据表),SLLIMM自动关
闭和 SD / OD引脚被拉低(并通知微控制器)。
关机保护
关机保护/漏极开路
保护 漏极开路
引脚: SD /OD
● SD /OD作为一个启动/禁用引脚。
● SD / OD引脚的信号逻辑低电平有效。如果该引脚电压低于特定阈值,则关闭
SLLIMM。
● SD /OD状态也连接到内部比较器的状态触发器(见第2.3.6节:短路保护和智能关
断功能),当比较器被触发, SD /OD被拉低,作为一个FAULT引脚。
● 当 SD /OD被比较器拉低时,是漏极开路。 SD /OD必须通过上拉电阻拉至3.3V或
5 V逻辑电平。
热敏电阻
引脚:T1,T2
● 内置NTC用来检测温度。
● 通过一个外部电阻构成一个简单的分压器(第2.3.10所示:过热保护),以实现一
个与温度有关的电压信号。
● NTC是无法感知IGBT结温的快速变化(因为其缓慢的动态特性)。
集成运算放大器(
和STGIPL20K60具有
具有)
集成运算放大器(只有STGIPL14K60和
具有)
引脚:OP-U, OP-V, OP-W; OPOUTU, OPOUTV, OPOUTW; OPU, OPV, OPW
● 完全不受限制的运算放大器。
● 性能优化的运算放大器适合先进的矢量控制技术(FOC)。
●内部集成的运算放大器实现紧凑和高效的板上布局,最大限度地减少所需的BOM清
单。
母线直流电源
母线直流电源的正
电源的正端
的正端
引脚:P
● 变频器直流母线的三个正电源供电引脚,它提供设计者更多的灵活性,它们内部连
接到高侧IGBT的集电极。
● 为了抑制由直流母线或PCB布线电感引起的浪涌电压,滤波电容应尽量靠近这些引
脚(通常使用金属薄膜容器)。
母线直流电源的负端
母线直流电源的负端
引脚: NU, NV, NW
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● 变频器直流母线的负电源引脚(电源地)。
● 这些引脚连接至低侧 IGBT 的发射器。
● 电源接地应与逻辑地分开,然后通过一个特定的点连接在一起(星形连接)。
逆变电源输出
引脚: U, V, W
● 变频器输出引脚连接到负载(如电机)。
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4 功率损耗和散
功率损耗和散热
变频器的总功率损耗包括传导损耗,开关损耗,和关闭状态的损耗,它们基本上
是由变频器的功率器件如 IGBT 和续流二极管所产生。传导损耗(Pcond)是传导过
程中的导通损耗。开关损耗(PSW)是开通和关断过程中的动态损耗。关闭状态的损
耗,由漏电流和阻断电压产生,可以忽略不计。
最后,总功率损耗 :
等式 17
Ptot ≈ Pcond + Psw
(17)
图 34 显示了一个电机驱动器电感性负载硬开关应用的典型波形,同时特别说明功率
损耗的主要来源。
图 34: 典型的 IGBT 功率损耗
VCE
IC
10% VCE
10% IC
VCE(sat)
10% IC
Esw(off)
Esw(on)
tc(on)
10% VCE
conduction
tc(off)
4.1 传导损
传导损耗
传导损耗是在额定电流行进中,由 IGBT 和续流二极管的电压降引起的。可以使
用线性近似来计算 IGBT 和二极管正向输出特性,一个串联的直流电压源代表 IGBT
的阈值电压 VTO(对二极管而言,是 VFO),集电极和发射极间的通态电阻 RCE,
(对二极管而言,是阳极阴极间的通态电阻 RAK),如下图 35 所示,以供参考。
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SLLIMM™ Small Low-Loss Intelligent Molded Module
图 35: IGBT 和二极管输出特型线性近似表示
和二极管输出特型线性近似表示
RAK = ∆VFM / ∆IFM
∆IFM
RCE = ∆VCE / ∆IC
∆IC
∆VFM
∆VCE
VTO
VFO
两者的正向输出特型都与温度有关,所以必须在特定的温度下考虑。IGBT 的线性近
似可以由以下等式表示:
等式 18
vce (ic ) = VTO + RCE ⋅ ic
(18)
续流二极管的线性近似为:
等式 19
v fm (i fm ) = VFO + RAK ⋅ i fm
(19)
IGBT 和二极管的传导损耗由传导电流和器件两端电压的乘积的时间积分来表示:
等式 20
Pcond_IGBT =
(
)
1 T
1 T
v
⋅
i
(t)dt
=
VTO ⋅ ic (t) + Rce ⋅ ic2 (t) dt
ce c
∫
∫
0
0
T
T
(20)
(
(21)
等式 21
Pcond_Diode =
)
1 T
1 T
v
⋅
i
(t)dt
=
VFO ⋅ i f (t) + RAK ⋅ i 2f (t) dt
f
f
∫
∫
T 0
T 0
其中 T 是基本时间时段。
因为不同的 SLLIMM 使用方式,不同的调制技术,以及不同的工作状况,使得功
率损耗很难去估计,所以有必要确定一些初始状态。
假设:
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1. 该应用是基于正弦 PWM 技术的可变电压可变频率(VVVF) 的变频器应用。
2. 较高的开关频率,正弦波电流输出。
3. 理想的电感性负载。
基于这些条件,变频器输出电流表示为:
等式 22
i = Î cos(θ - φ )
(22)
其中 Î 是峰值电流, θ 代表 ωt ,φ 是输出电压和输出电流间的相位角。
传导损耗可以由下式得到:
等式 23
π
V ⋅ Î
Pcond_IGBT = TO
2π
π
+φ
+φ
RCE ⋅ Î 2 2
(
)
ξ
cos
θ
φ
d
θ
+
ξ cos2 (θ - φ )dθ
∫−π +φ
∫
2π −π +φ
2
2
(23)
2
等式 24
π
V Î
Pcond_Diode = FO
2π
+φ
RAK Î 2
∫−π +φ (1 − ξ ) cos(θ - φ )dθ + 2π
2
2
π
+φ
∫ (1 − ξ ) cos (θ - φ )dθ
2
2
(24)
π
− +φ
2
其中 ξ 是 PWM 波的占空比,由下式给出:
等式 25
ξ=
1 + ma ⋅ cosθ
2
(25)
ma 是 PWM 幅度调制指数。
最后, 解出等式 23 和等式 24, 可以得到:
等式 26
2
 1 ma ⋅ cosφ  RCE ⋅ Î  1 ma ⋅ cosφ 
Pcond_IGBT = VTO ⋅ Î 
+
+
 +

8
2π  8
3π 
 2π

(26)
等式 27
2
 1 ma ⋅ cosφ  RAK ⋅ Î  1 ma ⋅ cosφ 
Pcond_Diode = VFO ⋅ Î 
−
+
 −

8
2π  8
3π
 2π


(27)
所以,一个器件(IGBT 和二极管)的传导损耗是:
等式 28
Pcond = Pcond_IGBT + Pcond_Diode
(28)
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当然, 每个变频器的总的传导损耗是这个值的六倍。
4.2 开关损耗
开关损耗
开关损耗是开启和关断时的瞬态功耗。已经在图 34 所示,是开启(ton)和关断
(toff)期间的脉冲功耗。根据经验,它可以在开关周期内,通过集电极电流和集电极
- 发射极电压的时间积分计算出来。总之,动态性能涉及到许多参数,如电压,电
流,温度,因此,有必要使用和传导损耗相同的假设(4.1 节:传导损耗),以简化
计算。
在这些条件下,开关的能量损失:
等式 29
等式 30
Eon ( θ ) = Êon cos(θ - φ )
(29)
Eoff ( θ ) = Êoff cos(θ - φ )
(30)
其中,Êon 和 Êoff 表示在给定 TJMAX 和 Îc 下的最高值,θ 代表 ωt ,φ 是输出电压和输
出电流间的相位角。
最后,每个器件的开关损耗取决于开关频率(fSW),计算公式如下:
等式 31
π
1
Psw =
2π
∫
2
π
+φ
- +φ
2
( EIGBT + EDiode ) ⋅ f swdθ =
( EIGBT + EDiode ) ⋅ f sw
π
(31)
其中,EIGBT 和 EDiode 分别表示 IGBT 和续流二极管的总开关能量。当然,每个变频器
的总开关损耗是此值的六倍。
图 36 显示了 STGIPL14K60 在下列条件下真正的开启和关断波形:
● VPN= 300 V,IC= 7A,TJ = 25ºC,带感性负载的全桥拓扑结构,测量高侧 IGBT。
红色代表在开关转换中的瞬时功率,由 IC(蓝色)和 VCE(绿色)波形相乘得到,这
些红色区域面积表示由数字示波器的图形集成计算得到的开关损耗能量。
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图 36: STGIPL14K60 的典型开启和关断波形
Turn on
ton = 264ns
Turn off
toff = 332ns
STGIPL14K60
High side
Tj=25°°C
STGIPL14K60
High side
Tj=25°°C
VHIN
VHIN
IC
IC
VCE
VCE
VHIN = 5V/Div
Eon=142µ
µJ(*)
VCE = 100V/Div
Eoff=100µ
µJ(*)
IC = 2A/Div
Eon = ∫ (VCE · IC) dt
t = 80ns/Div
(*) Eon and Eoff are the areas under the red plots
4.3 热阻抗概述
在工作过程中,功率损耗产生的热量使集成在SLLIMM内的半导体结温升高,这
限制了它的性能和寿命。为了确保运行安全可靠,功率器件的结温必须保持在数据表
中定义的限制以下。因此,必须使用足够的冷却系统将产生的热量从功率芯片传导到
外界环境中。最常见的方案是在散热片基础上设计了一个常规的自由风冷散热冷却系
统,或在某些情况下使用强制风冷系统。在一个给定热阻的条件下,基于散热器设计
的自由风冷散热系统需要比强制风冷散热系统更大的散热器(约50%)。因此,冷却
系统的选择是设计者首要考虑的,而且系统的热性能是设计高效率和高可靠性设备的
关键因素之一。在这样的环境中,封装形式和其热阻起着基本性作用。
热阻量化了一个给定热路径的热量转移能力,它通常表示为温度的增量和相关的
功率通量间的比值。
等式32
Rth =
∆T
∆P
(32)
在数据表中的热阻 Rth(j-c),定义为器件结温和封装外壳温度之间的温差除以器件
的功耗 :
等式 33
Rth(j-c) =
T j − Tc
PD
(33)
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由于 DBC 基板的技术水平,SLLIMM 产品提供了非常低的热阻值 Rth(j-c)。DBC
基板的背面与散热器接触被冷却。DBC 基板和散热器之间的导热硅脂或其他导热界
面材料用于减少接触热阻(Rth(C-H)),当然,这取决于导热材料和其厚度。
基本上,从器件的结到外部环境间的热阻Rth(j-a)是上述三个热阻的总和,如图37
所示。
图 37: 带有散热器的单个 IGBT 的等效热阻电路
SLLIMM
Junction
Rth(j-c)
Power Stage
Tj
Case
IGBT
FWD
DBC
Heatsink
Ptot
Rth(c-h)
Rth(h-a)
Tc
Th
Ambient
Tamb
由于功率损耗 Ptot 是周期性的,也必须考虑瞬态热阻抗。它被定义为与时间相关
的温度增量 ∆T(t)和相应的功率通量比值:
等式 34
Zth ( t ) =
∆T ( t )
∆P
(34)
相对于已经看到的热阻等效电路,瞬态热阻抗通常用 RC 等效电路来表示。对于
脉冲功率损耗来讲,热电容对结温上升有延迟效应,因此这种特性对 SLLIMM 的短期
过载能力有好处。例如,图 38 显示了器件的结到封装外壳的热阻抗曲线,
STGIPS14K60(SDIP-25L 封装)和 STGIPL14K60(SDIP-38L 封装)。按照其他
所有 SLLIMM 曲线,热阻抗大约 10 秒钟后饱和,进入定常状态。
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图 38: STGIPS14K60 和 STGIPL14K60 的瞬态热阻抗曲线
瞬态热阻抗曲线
STGIPL14K60
4
3
3
Z th(j-c) (°C/W)
Zth(j-c) (°C/W)
STGIPS14K60
4
2
1
0
1.E-05
2
1
1.E-04
1.E-03
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
0
1.E-05
1.E-04
1.E-03
time (sec)
1.E-02
1.E-01
1.E+00
1.E+01
1.E+02
time (sec)
更为普遍的是,器件的功率与时间有关。器件温度可以利用卷积积分法公式,计算如
下:
等式35
t
∆T ( t ) = ∫ Zth ( t − τ ) ⋅ P( τ )dτ
(35)
0
瞬态热阻抗模型,是一种非常有用的模拟工具,它提供了一个简单的方法来估计
瞬态条件下结温升高。利用热电模拟,瞬态热阻抗Zth(t)可以转化为电气等效的RC网
络。RC网络数量的增加表示模型的细节,因此,根据考尔(Cauer)网络模型,利用九
阶网络以提高模型的准确性,如图39所示。
图 39: 热阻抗考尔
热阻抗考尔网络模型
考尔网络模型
Tj
Ptot(t)
Zth(t)
R1
C1
R2
C2
R3
C3
R4
C4
R5
C5
R6
C6
R7
C7
R8
C8
R9
C9
Tcase
在电气RC网络中,温度代表电压,功率通量代表电流,电阻和电容分别代表热
阻和热容。外壳温度用直流电压源表示,可以解释为初始结温。
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瞬态热阻抗模型由曲线结合测量数据推导出。在表13中所示,每个器件的电阻和
电容的值是不同的。
表 13: 各器件的 RC Cauer 网络元件表
元件
STGIPS10K60A STGIPS14K60 STGIPL14K60 STGIPS20K60 STGIPL20K60
R1 (°C/W)
8.80E-02
1.61E-02
8.15E-03
1.00E-04
3.85E-03
R2 (°C/W)
1.54E-02
9.42E-02
1.07E-01
5.00E-03
1.50E-02
R3 (°C/W)
3.16E-01
1.20E-02
5.00E-02
7.00E-02
5.17E-03
R4 (°C/W)
3.96E-03
3.50E-01
2.00E-01
1.03E-02
4.68E-02
R5 (°C/W)
8.16E-01
5.86E-01
6.57E-01
6.00E-01
4.18E-01
R6 (°C/W)
4.32E-01
1.58E-03
1.00E-02
1.15E-01
6.71E-02
R7 (°C/W)
1.23E-02
7.50E-01
8.00E-01
1.00E-03
1.27E-01
R8 (°C/W)
4.48E-01
1.60E-02
2.00E-02
1.00E-01
6.14E-01
R9 (°C/W)
1.66E+00
1.10E+00
9.50E-01
1.55E+00
1.00E+00
C1 (W·sec/°C)
3.20E-04
9.20E-04
1.00E-03
1.80E-03
1.50E-03
C2 (W·sec/°C)
6.30E-04
9.07E-05
9.96E-05
3.09E-05
9.82E-05
C3 (W·sec/°C)
9.00E-05
1.00E-03
9.59E-05
8.94E-05
9.62E-05
C4 (W·sec/°C)
5.00E-04
4.14E-05
1.85E-05
9.29E-05
9.48E-05
C5 (W·sec/°C)
5.00E-03
1.40E-02
9.68E-03
1.20E-02
9.97E-03
C6 (W·sec/°C)
1.20E-02
3.57E-05
2.00E-02
7.04E-05
7.86E-05
C7 (W·sec/°C)
1.49E-03
3.00E-03
1.76E-03
2.93E-04
2.91E-03
C8 (W·sec/°C)
8.09E-04
5.75E-04
8.27E-04
9.43E-04
5.50E-02
C9 (W·sec/°C)
1.20E-01
1.54E-01
5.00E-01
1.00E-01
6.21E-02
4.4 功率损耗
功率损耗计算实例
计算实例
在前面的章节中已经充分讨论功率损耗计算和热方面的问题,现在我们能模拟
VVVF变频器的IC(RMS)最大电流与开关频率的关系曲线,该变频器的正弦输出电流由
三相连续PWM调制合成。
图40绘制的曲线代表了SLLIMM在安全的条件下承受的最大电流,结温上升到最
高结温150°C 和外壳温度为100°C ,这是保证一个系统可靠性的典型的工作条件。这
些曲线在下列情况下模拟:
• VPN = 300V, ma = 0.8, cosφ = 0.6, Tj = 150 °C, T c = 100 °C, f SINE = 60 Hz, Rth(j-c)取
最大值, VCE(sat)和 Etot 取典型值。
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图 40: 最大 IC(RMS)电流的频率特性曲线
电流的频率特性曲线
22
Maximum IC(RMS) current (A)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
4
8
12
16
20
fsw (kHz)
STGIPS10K60A
STGIPS14K60
STGIPL14K60
STGIPS20K60
STGIPL20K60
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设计和安装指引
5
本节介绍 SLLIMM 系列产品的布局设计和安装建议。
5.1 布局的建议
优化PCB布局是高电压,大电流和高开关频率应用的一个重要环节。PCB布局是
一个复杂的问题,它包含几个方面:如铜泊导线的长度和宽度,正确的通道路径,各
种系统元件在PCB板的合理安排。
一个良好的布局可以使实际应用实现正确功能,并达到预期性能。反之,没有精
心布局的PCB板会产生EMI问题,PCB板导线上的寄生电感会引起过压尖峰,同时会
产生更高的功率损耗,甚至在控制和检测阶段产生故障。
简洁的SLLIMM解决方案,提供了优化的栅极驱动网络和减少了寄生元件。所以
设计者只需注意一些具体问题,如接地问题或噪声过滤器。总之,为了避免上述的所
有问题,在三相应用的PCB布局时,必须遵循以下一般原则和建议。
5.1.1 一般建议
● PCB 板走线应尽可能短,电路面积(电源或信号)应尽量小以减少周围的噪音对
它的影响。
● 确保含有高电压转换的开关线和对电气噪声敏感的信号线之间保持良好的距离。具
体来说,每个输出相位的引线,由于其伴随着显著的电流和高电压,必须与运算放大
器和比较器的逻辑信号线,模拟采样电路分开。
● 采样电阻 RSENSE 尽可能靠近 SLLIMM 直流负端端子(NU ,NV, NW )放置。
SLLIMM 的接地线(也称为驱动地)直接连接采样电阻的冷端可以减少寄生电感。使
用低电感电阻,如贴片电阻,而不用长引脚电阻器,可以帮助进一步减少寄生电感。
● 避免任何接地回路。必须只有一条路径连接两个不同的节点地。
● 每个 RC 滤波器尽可能接近 SLLIMM 引脚,以增加其滤波效率。
● 为了防止浪涌破坏,平滑电容器和 P–N 间的引脚应尽可能短。P-N 引脚之间建议
使用高频率,高电压非电感性电容,电容值约 0.1µF 或 0.22µF。
● 利用固定电压通道,如 GND 或高压线路,可以屏蔽逻辑信号线和模拟信号线以避
免开关线(如 OUTU,OUTV 和 OUTW)所产生的电气噪声。
● 建议连接每一个半桥地构成一个星型配置,三个采样电阻 RSENSE 彼此靠近,并且
接近功率地。
在图 41 和图 42 总结了所有 SLLIMM 产品的一般性建议。
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图 41: 一般建议 1
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图 42: 一般建议 2
特别要注意一些错误的布局,一些常见的错误 PCB 布局见图 43 和图 44。
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图 43: 错误布局例 1
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图 44: 错误布局例 2
Ground path
错误!
非常长的 Gnd 回路,没有使用推
荐的星型连接。
长的 Gnd 路径会受噪声影响(高
压开关通道),从而影响驱动器的
性能。
Sense resistor
cold terminal
错误!
采样电阻地冷端没有作为星型
连接的中心
SLLIMM
ground
错误!
SLLIMM 和地的连接不是最短
Bulk
capacitor
SLLIMM
5.2 安装说明
安装说明的目的是将模块(SDIP-25L 和 SDIP-38L)安装到散热器时,定义一些
基本的规则来限制热应力和机械应力,保证最佳的热传导和电隔离。欲知详情,请参
阅技术说明 TN0107。
5.2.1 散热器安装
应遵守以下的预防措施,最大限度地提高散热效果和尽量减少在模块上的应力。
去除毛刺和突起使散热器表面光滑,确保 SLLIMM 和散热器之间的最佳的接触。在模
块和散热片之间的接触面上涂上一层 100um 到 200um 的导热硅胶以减少接触热阻,
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如图 45 所示。注意涂层一定要薄且均匀,不能有任何空隙。我们推荐使用在
SLLIMM 工作温度范围内性能稳定的高品质导热润滑剂。
图 45: 推荐导热硅胶涂层的厚度和位置
SLLIMM
Silicon
grease
100~200μm
thickness
Heatsink
5.2.2 安装力
安装力矩
将 SLLIMM 安装到散热器上时,确保不要用力过猛。表 14 提供了指定的紧固力
矩。不适当的安装会造成模块损坏,过度的拧紧螺丝,可能会导致 DBC 基板或模块
破裂。为了避免施加极不平衡的紧固力,建议暂时预固定两个螺丝,然后使用指定的
扭矩值来永久拧紧它们。图 47 给出了螺丝紧固顺序。
表 14: 安装力矩和散热片表面平整度
参数
限制值
单位
最小值
标准值
最大值
紧固力矩(M3 螺钉)
0.4
0.7
1.0
Nm
散热片表面平整度
-50
150
µm
SDIP-25L 封装重量
SDIP-38L 封装重量
13
17
g
g
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图 46: 铜散热片表面平整度测量点
图 47: 安装螺钉推荐紧固循序
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5.2.3 一般处理预防和存储注意事项
对半导体器件的热和/或机械应力的处理不当,可能会导致其电气特性和/或可靠
性的显著恶化。SLLIMM 是 ESD 敏感器件,在 ESD 冲击的情况下,它可能被损坏。
所有用来处理功率模块的设备,必须符合 ESD 标准,包括运输,仓储和组装。
运输
在处理 SLLIMM 和包装材料时要格外小心,在运输过程中确保模块不会受到机械
振动或冲击。潮湿的环境中是危险的,湿度也对包装有不利影响。按正确的方向放置
包装箱,将其倒置,倾斜,或施加不平衡的压力于其上都可能会导致电机端子变形或
者使其树脂外壳损坏。投掷或抛落包装箱可能导致模块损坏。润湿包装盒可能会导致
模块工作时被击穿。在潮湿的条件下运输时应特别注意。
存储
● 存储时,不要在模块上强迫或加载外部压力。
● 存储湿度应保持在 40%~75%,温度为 5°C~35 ℃
● 引脚锡焊能力会因引脚的氧化或腐蚀而退化。因此,强烈建议使用温度波动小的存
储区域。
● 不能存储在有有害气体或灰尘的场所。
● 使用抗静电容器。
电击和热损伤
● 在 SLLIMM 工作过程中,请勿触摸模块或散热器,以避免触电和/或烧伤。
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5.2.4 包装规格
图 48: SDIP-25L 封装包装规格
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图 49: SDIP-38L 封装包装规格
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6 参考手册
[1] STGIPS10K60A datasheet
[2] STGIPS14K60 datasheet
[3] STGIPL14K60 datasheet
[4] STGIPS20K60 datasheet
[5] STGIPL20K60 datasheet
[6] AN2738 application note
[7] UM0969 user manual
[8] UM0900 user manual
[9] UM1036 user manual
[10] Minimum-Loss Strategy for Three-Phase PWM Rectifier, IEEE, JUNE 1999
[11] TN0107 technical note
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对应情况),
情况),或侵犯任
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、救生、
救生、生命维
生命维持系统
持系统,以及失效或故障可能造成人身伤
以及失效或故障可能造成人身伤害、死亡或严
死亡或严重的财产
重的财产或
财产或环境危害的产
境危害的产品或
系统。未被指定为
汽车级”的
产品只能在用户
未被指定为“汽
车级 的ST产
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自行承担风险的情况下才可用于汽
风险的情况下才可用于汽车应
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