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作者：飛兆半導(dǎo)體Roy Davis 很少有其它應(yīng)用場(chǎng)所和車輛行駛環(huán)境一樣，對(duì)各種電子元器件的要求異常嚴(yán)苛，它往往意味著如何讓用于汽車或卡車的電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高的耐用性、可靠性和高效率將成為一項(xiàng)嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。例如，機(jī)架式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能會(huì)面臨超過100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動(dòng)負(fù)載，并且還會(huì)接觸到石油產(chǎn)品和鹽水、噴霧等——所有這些都要求提供150 A或更高的電機(jī)相電流，同時(shí)還要求損耗能夠達(dá)到最小。其次，制造成本、尺寸大小和重量也是需要考慮的另一個(gè)因素，因此針對(duì)特殊設(shè)計(jì)查找合適的組件就顯得尤為重要。 目前，出現(xiàn)了一種趨勢(shì)有助于汽車設(shè)計(jì)師改進(jìn)電氣化，即日益普遍采用的高度集成汽車功率模塊(APM，Automotive Power Modules)，此類模塊能夠以較小的尺寸提供較高的功率密度，本文將重點(diǎn)探討APM功率模塊在提高汽車電氣性能的同時(shí)，使設(shè)計(jì)更為緊湊的實(shí)現(xiàn)方式。 APM功率模塊的構(gòu)成 一般來說，APM汽車功率模塊通常在單個(gè)緊湊封裝中集成了全部功能所需的器件，這很容易在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。例如，飛兆半導(dǎo)體的FTCO3V455A1就是一款符合汽車應(yīng)用要求的MOSFET逆變器功率級(jí)模塊，它可提供三相逆變器的所有功能，包括六個(gè)提供高電流、高效率操作的MOSFET。該模塊中還集成了從電池到地的RC緩沖電路，緊密耦合到MOSFET橋，以改進(jìn)EMI性能；還包括用于電流感測(cè)的0.5 m?精密分流電阻，可提供電流反饋，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制和過流保護(hù)。另外，該汽車功率模塊內(nèi)部還設(shè)有一個(gè)溫度感測(cè)NTC，用于監(jiān)控逆變器的發(fā)熱情況。和其他制造商APM模塊的設(shè)計(jì)原理一樣，這款功率模塊可提供不同的電路組合——設(shè)計(jì)人員可使用APM汽車功率模塊代替分立式設(shè)計(jì)，由此創(chuàng)建出一個(gè)尺寸更小、能夠提供更高功率密度的系統(tǒng)。 在實(shí)際應(yīng)用中，APM功率模塊通常被直接安裝在電機(jī)外殼表面，允許PCB僅沿模塊一側(cè)連接至信號(hào)引腳(如圖1所示)。 
圖1: 三相逆變器APM汽車功率模塊示意圖 在所示的電路中，電源線放在模塊相反的兩側(cè)，用于分離控制和電源接口。這樣，PCB上就不需要高電流走線，使得設(shè)計(jì)實(shí)施和生產(chǎn)更為簡(jiǎn)單。傳熱式直接敷銅(DBC)結(jié)構(gòu)在安裝表面和電氣有源組件之間提供2500 Vrms電氣隔離。 減少機(jī)械連接，提升熱性能 在使用分立式封裝組件開發(fā)的逆變器中，如TO-263或MO-299封裝通常都會(huì)有較多的機(jī)械接口需要處理，其中包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，某些情況下還可能有散熱片至下一級(jí)組件的連接等。這些機(jī)械接口與系統(tǒng)的熱性能緊密相關(guān)，而在APM汽車功率模塊中，這些大部分的機(jī)械接口已整合于APM之中，在許多情況下，要進(jìn)行的唯一純機(jī)械連接是從模塊到散熱片。 與安裝在PCB或IMS上的六個(gè)或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過APM功率模塊實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化機(jī)械接口設(shè)計(jì)可獲得極好的熱性能。如圖2所示，它顯示出對(duì)于逆變器的所有六個(gè)MOSFET，從結(jié)至外殼以及通常從結(jié)至散熱片的瞬態(tài)熱阻，結(jié)至散熱片的熱阻體現(xiàn)為采用30 ?m厚系數(shù)為2.1 W/(m-K)的導(dǎo)熱材料。
圖2: APM汽車功率模塊瞬態(tài)熱阻 采用這種從散熱片到硅的簡(jiǎn)單堆疊，可獲得出色的熱性能，也使得全逆變器可采用極高功率密度的封裝。例如，圖2所使用的APM功率模塊其尺寸為29x44x5mm，可構(gòu)成約400 mL總?cè)萘康臉O緊湊逆變器組件，包括繼電器、直流鏈路濾波器組件、控制PCB、散熱片和連接器等。 其它性能優(yōu)勢(shì) 采用分立式解決方案，載流量容易受到引線框架和IMS走線厚度的限制。而使用單封裝的APM功率模塊可顯著增強(qiáng)載流量。 此外，分立式解決方案還有較高的總逆變器電阻、逆變器電感、走線電阻和柵極驅(qū)動(dòng)電路電感，以及更高的熱阻(結(jié)-散熱片)。為此，所有這些性能特性通過將分立式解決方案替換為APM功率模塊而得到改進(jìn)。 另一方面，更好的EMC特性也是使用APM功率模塊的另一個(gè)原因。采用這種模塊可以更輕松地隔離功率和信號(hào)引腳，實(shí)現(xiàn)更低的電感并靠近RC濾波，同時(shí)，使用APM功率模塊還可以提供更高的扭矩輸出，由此將電動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大至重型車輛。 結(jié)論 APM功率模塊可用于各種汽車電子子系統(tǒng)，尤其適用于電控助力轉(zhuǎn)向、油和水泵，以及冷卻風(fēng)扇應(yīng)用中。汽車電子設(shè)計(jì)工程師充分利用現(xiàn)成的APM功率模塊，將能夠更好地實(shí)現(xiàn)汽車子系統(tǒng)的電源管理功能。APM功率模塊以更小的尺寸達(dá)到更高的功率密度，并且最大程度地減少了機(jī)械連接，降低了熱阻，更為重要的是，與分立式解決方案相比，這種APM功率模塊還可以提高汽車電子的各項(xiàng)電氣性能。 |
