摘要:叙述了具有集成驱动、保护和系统控制功能的智能功率模块FSBB20CH60，对其实施了隔离式的外驱动设计,实现了一种高性能功率模块。将其应用于变频空调，降低了成本，提高了可靠性。目前已投入批量生产，取得了预期的效果。

     关键词:智能功率模块；门极驱动；电平移位；自举；变频空调

A High Performance Power Module Based on FSBB20CH60

SHAOMingshuang, SUNJun

(School of Electronics & Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030,China)

     Abstract:An advanced smart power module (SPM) FSBB20CH60 that has the functions of integrated driven,protection and systemcontrol is introduced. With external driven design,a high performance power modul eis realiged. This kind of module is been used to inverter AirCON. The cost had reduced and the performance had improved. Up to now it has been put into production and acquires anticipated effect.

     Key words:SPM; gate driving; level shifter; bootstrap; inverter aircon

0 引言

     变频空调的逆变器核心功率级电路———智能功率模块的成本虽然相对较高，但仍以其高可靠性和良好的一致性在大批量生产中获到了极广泛的应用。

1 智能功率模块的一般特点

     智能功率模块是电力电子集成电路的一种，集功率器件（IGBT）、驱动电路和保护功能于一体，内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路，其核心器件是IGBT。智能功率模块与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有许多优点：

     1）内含驱动电路，保证IGBT最佳驱动条件；

     2）内含过电流保护（OC）、短路保护（SC）；

     3）内含驱动电源欠压保护（UV）；

     4）内含低损耗IGBT和续流二极管；

     5）信号输入端兼容3.3/5VCMOS/LSTTL电平；

     6）宽的输入电压范围；

     7）内含过热保护；

     8）内含故障输出（Fo），向外部输出故障信号，当下桥臂OC、UV保护动作时，通过向控制智能功率模块的微处理器输出故障信号，实现系统保护。

     以上是智能功率模块的一般特点，对于具体不同型号的智能功率模块，其内部所集成的功能可能有所差异，但一般都具有上述特点。

2 FSBB20CH60的特点

     为了满足人们对低噪声、高性能、小型化、轻量化不断增长的要求及花最小的代价获得最佳的性能和精确的控制。飞兆半导体公司推出了新一代的智能功率模块FSBB20CH60，它除了具有上述一般智能功率模块的优点外，还具有下列特点：

     1）上桥臂驱动器电源使用自举（Bootstrap）电源技术，全部驱动共用一个电源；

     2）内含隔离高压的快速电平移位电路（level shifter）；

     3）由于采用了DBC技术，因而热阻极小；

     4）3 个独立N 极接线端子结构，用户可方便、高效地检测各相的负载电流，从而实现高效率、低成本电机驱动算法；

     5）输入端信号高电平有效，更有利于与CPU的控制连接；

     6）控制信号不需要光耦隔离；

     7）高压侧外接栅极电阻能让设计人员调节SPM的开关速度，此举有助于降低开关损耗和开关噪声，并且减小电压应力(可能在极端条件下引起HVIC闭锁)。

FSBB20CH60 的内部电路如图1 所示^[1]，图1 中上面的3 个高压集成电路HVIC1-HVIC3 驱动三相桥臂的上管，下面的LVIC驱动三相桥臂的下管。其中，HVIC1～HVIC3 中集成了输入PWM 信号整形电路、电平移位电路、欠压保护电路、IGBT驱动电路，其结构示意图如图2所示。

     新一代智能功率模块的最大特点就是实现了单电源驱动，其核心技术就是驱动电源采用自举电源技术和电平移位电路。由于SPM内部建立起了电平移位电路，从而省去了光耦，并且允许6 个输入控制端直接连接CPU/DSP。其原理示意图如图3 所示，工作原理分析如下：当输入脉冲信号为"1"时，经过脉冲鉴别器确认，且此时无欠压发生，闩锁逻辑电路上端输出为"1"，下端输出为"0"，此时，V1导通，V2关断，IGBT1的门极驱动电压为+15V，IGBT1导通，IGBT2关断；反之，当输入脉冲信号为"0"时，IGBT1 关断，IGBT2导通。自举电源由图3中的电阻R1、自举二极管D1和自举电容C1组成，当下桥臂IGBT2导通时，自举电容C1通过R1和D1充电，这里必须保证C1首次充电时，IGBT2导通一定的时间，使得C1充电充分，这样C1两端的电压保持为+15V，足够驱动上桥臂的IGBT1，通过这种自举电源技术，允许IGBT1的源端在P、N之间浮动。

     智能功率模块外围电路的设计同以往非单电源智能功率模块的外围电路的设计有所不同，由于采用单电源模块实现共地系统，MCU 发出的6 路PWM 脉冲信号都不需要经过光耦隔离就可以直接连接到SPM相应的引脚[2]。另外，智能功率模块需要有自举电源电路，其中自举二极管需要选择反向恢复时间短的快速二极管，自举电容需要选择容量在10μF 以上的电解电容，以保证自举电源能有效可靠地工作。

     在变频空调中由于强弱电的存在，考虑到安全性，现在仍普遍采用隔离方案。基于此，本次设计采用光耦隔离方式，设计出了一种高性能功率模块。这种模块化的设计，有利于整个系统的匹配。

3 高性能功率模块的设计

     在高性能功率模块的设计过程中有几个需要注意的关键问题：首先在模块设计时就要考虑其安全性，即模块单独上电时，其自身的安全，由于模块为输入高电平有效，因此，常态下应确保模块输入端为低电平; 其次要注意印制电路板的线间电气间隙和整体布局，以确保电路板的安全和抗EMI的能力;最后还要考虑与整个系统之间的配合。

3.1 故障输出电路的设计

     功率级电路中，高性能功率模块自身保护是很重要的，尤其是短路保护。因此用于短路电流检测的功率电阻的选择就至关重要，其大小选择主要是依据模块内部保护电流值的大小进行选择。SPM短路触发电平为0.5 V左右、这里设定瞬时电流保护值为34 A，经计算选择阻值为0.015Ω，功率为10 W的无感电阻。

     为了使功能率模块安全工作还需要设计辅助的保护电路，如过/欠压保护电路、过流保护电路等。

     SPM 模块自身具有短路，过流、过热、欠压保护等功能，一旦SPM 受损自身实行保护，则通过其VFO口输出保护信号，并由C8作保持保护信号的脉宽设定（参见图4）。具体关系为tFOD=CFOD/(18.3×10^-6) s，SPM输出的保护信号经IC7光耦隔离、再经三级管Q1跟随后输出到室外板CPU 的模块保护输入口，最终实施SPM模块保护，即起到了保护整个高性能模块的作用。模块过流保护外置限流电阻为R21。R22、C9构成RC滤波取样，故障相应速度的快慢即由它们组成的RC电路的时间常数决定。

3.2 外部隔离驱动设计

     在驱动电路的设计中，先就单个IGBT 驱动进行调试，然后再对上下管进行配对调试，最后进行整体的调试。具体的SPM模块采用的是飞兆单电源模块FSBB20CH60，电路如图4 所示。其驱动信号由室外板CPU 输出，经IC1~IC6 光耦隔离，由Q11~Q16 三极管反相后输入到SPM模块UP、VP、WP、Un、Vn、Wn控制端。R43~R48为光耦IC1~IC6输入的限流电阻，每一路都使用了一个普通三极管和一个普通光耦相连接，代替一高速光耦；同时为达到提高响应速度的目的，平常使三极管工作在临界饱和状态，以补偿由于光耦开通和关断时间的离散性而导致的6 路驱动信号之间的不平衡；减小光耦的输入端电阻，以达到提高光耦的响应速度；R33~R36 分别为光耦IC1~IC3 输出的偏置电阻，R37~R42 分别为三极管反相器Q11~Q16 的偏置电阻，C21~C26为高频噪声吸收电容。SPM 内部由6 只IGBT构成的具有上下桥臂的三相桥式电路，根据CPU 的驱动信号按顺序和时序轮流导通，实行对直流线线电压Vpn 进行斩波，调制成压缩机运转所需的电源，再经SPM 的U、V、W 三相输出端输出加到压缩机电动机端子上，使压缩机按照设定要求，进行变频调速。

     在设计中要注意将单独一路信号的驱动延时限制在适当的范围，以利于程序的控制。同时注意上下管的驱动信号之间要有合适的死区时间，防止在程序运行过程中其上下管出现直通现象。

外接的IGBT 内部驱动电阻的选择，如图4 中R97、R98、R99，适当增大它们的阻值可以有效减少dv/dt，从而减小由此造成的EMI噪声。但也应考虑驱动能力的要求，本设计电阻选用5.6Ω。

3.3 与压缩机控制电路的接口设计

     SPM 模块驱动及压缩机控制信号有六相，分别由CPU 的6 个脚单独输出，经R43~R48 限流输至SPM 模块的外围电路驱动控制端。室外机CPU 根据系统需求输出作用于SPM 模块调制的SPWM 驱动信号，以满足给压缩机提供的变频电源，实现调速。如果SPM 六相驱动信号发生某相丢失，会造成压缩机启动困难或缺相运行，从而导致压缩机因电流增大而产生过热。这时，SPM 模块自身具有的过流等保护功能立即动作，并输出负脉冲，然后经由光耦的隔离作用和三极管的跟随放大，并通过专用口反馈到CPU 的指定中断脚。CPU 即发出指令对整个系统进行关断，而防止高性能功率模块和压缩机的损毁。其中，C10 为高频噪声吸收电容，R23 为光耦的输入偏置电阻。

     注意故障信号和控制部分的信号之间的连接，以确保在连线不良和正常出现故障时都能及时报警，防止模块的损坏。

3.4 电源组件

     为了保证高、低压工作的正常隔离，高性能功率模块的电源采用一般的反激式开关电源，分别为SPM提供一路+15V和两路+5V 的隔离直流输出电压，同时要注意电源的供电能力，保证电路在比较恶劣的环境中能够正常的工作。电源组件的设计此处略，具体可参见其它有关资料^[3~4]。

3.5 电源自举电路的设计

     高性能功率模块属于单电源模块，即SPM 模块所用工作电源共用一路+15V电源，并由外加的三路自举电路来实现SPW 模块内IGBT 上桥臂的高压绝缘与高速的电平转换，三路自举电路分别有D6、E9、C5、R18，D7、E10、C6、R19，D8、E11、C7、R20组成。在设计过程中，已考虑到电解电容的选取与程序控制算法的配合。

4 参数优化及试验结果

     根据以上分析设计了最大输出功率达2.4 kW 的高性能功率模块。其中，输入电压范围Vin=150~250 V（AC），输出相电流12 A。

在进行试验时发现以下问题：

     1）将其应用于直流变转速空调(美芝压缩机型号HD187X1-S12FD)，模块工作正常，而将其应用于交流变频空调（美芝压缩机型号BG130X1C-20FZ）则会出现开机保护的现象；

     2）做高温高湿（温度55℃，湿度95%）满负载试验时，出现模块温升过高的现象。

这说明原理性计算与实际参数配置存在着差距，必须进行某些参数调整，通过多次试验，调整方法总结如下：

     1）消除开机时的瞬时电流保护一是在电流检测电阻R21上并联一个小电容；二是适当延长故障保护的响应速度即加大(R22×C9)的时间常数。但以上措施的采取会增大模块自身损坏的风险，应综合考虑。

     2）减小模块温升过高适当减小来自控制输入端的消噪电容C91~C95；适当减小输入到模块的高频噪声吸收电容C21~C26。但上述电容不宜过分减小，否则会导致模块的抗干扰能力下降，要权衡利弊。

     按上述方法重新调整个别元件参数, 结果获得了良好的效果，消除了开机时的瞬时电流保护，降低了模块的温升。

     参数调整前后输入到SPW 的驱动电压波形如图5所示。由图5(a)与图5(b)可以看出，参数调整后的输入电压较调整前失真得到明显改善，脉冲上升/ 下降沿更陡峭，这说明参数调整比较理想。

试验还就由高性能模块组成的整机的骚扰电压、骚扰功率等进行了测试，各项性能指标符合要求。

5 结论

     目前，该高性能功率模块在应用于交、直流变频空调中,具有很好的适应性，整机各项性能指标符合设计要求，并已经投入小批量生产，随着它的优越性进一步被市场检验，必将得到越来越多的应用。