高集成汽车功率模块改进汽车电气化设计

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很少有其它应用场所和车辆行驶环境一样，对各种电子元器件的要求异常严苛，它往往意味着如何让用于汽车或卡车的电机设计实现更高的耐用性、可靠性和高效率将成为一项严格的挑战。例如，机架式电动助力转向系统可能会面临超过100℃的环境温度，以及高冲击和振动负载，并且还会接触到石油产品和盐水、喷雾等——所有这些都要求提供150 A或更高的电机相电流，同时还要求损耗能够达到最小。其次，制造成本、尺寸大小和重量也是需要考虑的另一个因素，因此针对特殊设计查找合适的组件就显得尤为重要。
       
        目前，出现了一种趋势有助于汽车设计师改进电气化，即日益普遍采用的高度集成汽车功率模块（APM，Automotive Power Modules），此类模块能够以较小的尺寸提供较高的功率密度，本文将重点探讨APM功率模块在提高汽车电气性能的同时，使设计更为紧凑的实现方式。
       
        APM功率模块的构成
       
        一般来说，APM汽车功率模块通常在单个紧凑封装中集成了全部功能所需的器件，这很容易在设计中实现。例如，飞兆半导体的FTCO3V455A1就是一款符合汽车应用要求的MOSFET逆变器功率级模块，它可提供三相逆变器的所有功能，包括六个提供高电流、高效率操作的MOSFET.该模块中还集成了从电池到地的RC缓冲电路，紧密耦合到MOSFET桥，以改进EMI性能；还包括用于电流感测的0.5 毫欧精密分流电阻，可提供电流反馈，实现电机控制和过流保护。另外，该汽车功率模块内部还设有一个温度感测NTC，用于监控逆变器的发热情况。和其他制造商APM模块的设计原理一样，这款功率模块可提供不同的电路组合——设计人员可使用APM汽车功率模块代替分立式设计，由此创建出一个尺寸更小、能够提供更高功率密度的系统。
       
        在实际应用中，APM功率模块通常被直接安装在电机外壳表面，允许PCB仅沿模块一侧连接至信号引脚（如图1所示）。
       
       
        图1：三相逆变器APM汽车功率模块示意图
       
        在所示的电路中，电源线放在模块相反的两侧，用于分离控制和电源接口。这样，PCB上就不需要高电流走线，使得设计实施和生产更为简单。传热式直接敷铜（DBC）结构在安装表面和电气有源组件之间提供2500 Vrms电气隔离。
       
        减少机械连接，提升热性能
       
        在使用分立式封装组件开发的逆变器中，如TO-263或MO-299封装通常都会有较多的机械接口需要处理，其中包括MOSFET封装至PCB、PCB至隔离散热器、散热器至散热片，某些情况下还可能有散热片至下一级组件的连接等。这些机械接口与系统的热性能紧密相关，而在APM汽车功率模块中，这些大部分的机械接口已整合于APM之中，在许多情况下，要进行的唯一纯机械连接是从模块到散热片。
       
        与安装在PCB或IMS上的六个或更多分立式MOSFET封装部件相比，通过APM功率模块实现的简化机械接口设计可获得极好的热性能。如图2所示，它显示出对于逆变器的所有六个MOSFET，从结至外壳以及通常从结至散热片的瞬态热阻，结至散热片的热阻体现为采用30 ？m厚系数为2.1 W/（m-K）的导热材料。
       
        图2： APM汽车功率模块瞬态热阻
       
        采用这种从散热片到硅的简单堆叠，可获得出色的热性能，也使得全逆变器可采用极高功率密度的封装。例如，图2所使用的APM功率模块其尺寸为29x44x5mm，可构成约400 mL总容量的极紧凑逆变器组件，包括继电器、直流链路滤波器组件、控制PCB、散热片和连接器等。
       
        其它性能优势
       
        采用分立式解决方案，载流量容易受到引线框架和IMS走线厚度的限制。而使用单封装的APM功率模块可显著增强载流量。此外，分立式解决方案还有较高的总逆变器电阻、逆变器电感、走线电阻和栅极驱动电路电感，以及更高的热阻（结-散热片）。为此，所有这些性能特性通过将分立式解决方案替换为APM功率模块而得到改进。
       
        另一方面，更好的EMC特性也是使用APM功率模块的另一个原因。采用这种模块可以更轻松地隔离功率和信号引脚，实现更低的电感并靠近RC滤波，同时，使用APM功率模块还可以提供更高的扭矩输出，由此将电动系统的应用领域扩大至重型车辆。
       
        结论
       
        APM功率模块可用于各种汽车电子子系统，尤其适用于电控助力转向、油和水泵，以及冷却风扇应用中。汽车电子设计工程师充分利用现成的APM功率模块，将能够更好地实现汽车子系统的电源管理功能。APM功率模块以更小的尺寸达到更高的功率密度，并且最大程度地减少了机械连接，降低了热阻，更为重要的是，与分立式解决方案相比，这种APM功率模块还可以提高汽车电子的各项电气性能。