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)

、dianliujiaodiehuizaochengsunhao，bixujiangqixiaochu。suirangonglvhaosanwentikeyitongguojiashesanrepianerdedaogaishan，danzheyehuixianzhibandaotiqijianzaidianlubanshangdebujuanpai。

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guoVS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jinIGBT，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IGBThezhajiqudongqideanpaixuyaozhoumikaolv。ciwai，sanrepianshangdeqijianxuyaopeibeishidangdejueyuanpian。xuduoqingkuangxia，dianlubandebianyandouxuyaoyoudakuaidesanrepian。

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2所suo示shi為wei一yi個ge典dian型xing的de全quan封feng閉bi模mo塊kuai，它ta包bao含han一yi個ge完wan整zheng的de三san相xiang電dian壓ya源yuan變bian頻pin器qi，以yi及ji相xiang應ying的de柵zha極ji驅qu動dong器qi和he保bao護hu電dian路lu。采cai用yong這zhe種zhong模mo塊kuai比bi分fen立li元yuan件jian方fang案an節jie省sheng電dian路lu板ban空kong間jian多duo達da50%。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4weizhezhongqiaoqudeyigekuazhangshiyi。mokuaishiyongyixiecongbiaomianzhongjianchuanchudeluosijinguzaisanrepianshang。ruguoanzhuangqiadang，zhezhongtuzhuangbiaomiannengbaozhengyouzugoudereliangcongmokuaichuandidaosanrepian。ruguojinguluosiyonglibujun，jiukenengzaimokuaineichanshengyingli，daozhimokuaiposunhuoxingnengxiajiang。jianyicaiyongtu4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。