使用智能功率模块实现车载电气控制系统

作者: Matt Tyler

日益严格的燃油能效法规和人们对环境影响日益增加的担忧，意味着车内机械系统正由电气替代品所取代。这支持提供更高程度的能效和工作性能。例如，直流电机的使用在车载控制系统(除主电机外)的设计中越来越普遍，以便减轻汽车总重量，从而提高燃油经济性。就动力转向系统而言，从液压驱动系统变为电气系统，可提高3%-5%的燃油能效水平。

对车载系统，无刷直流(BLDC)电机正看到更广泛的激增，因为它们提供较有刷和换向器的传统直流电机高得多的可靠性。BLDC电机不仅被整合至汽车电动助力转向系统(EPS)中，还被整合至水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、暖通空调(HVAC)、座椅风扇等。

车载电机控制的要求及考虑因素

车载电机控制电路的关键要求是高温工作。在150℃的环境温度(Ta)和170℃的结温(Tj)下的工作能力是极其重要的。整个控制电路在严苛环境中的高可靠性也是需要的。需要使用的分立元件越多，线路板就必须越大，随着焊接工作量越来越多，在可靠性降低和重量增加的同时，也在采取减少发热和总成本的措施时造成困难。降低噪声如电磁干扰(EMI)也很重要。

如已概述的，BLDC电机在能效、可维护性、使用时间和安全方面优于有刷电机，但也有更重和更高成本的缺点(因为BLDC电机包含外部控制电路，需要更大的安装空间)。因此，在要充分利用BLDC电机优势的同时又要减小系统总尺寸和重量、降低成本、增强可靠性、减少发热、降低噪声时存在挑战。

智能功率模块用于车载装置

集成先进的功率半导体和外围元件是减小尺寸和重量的一种非常有效的方法，以解决当指定BLDC电机用于车载应用时所面临的问题。不同技术和不同形状的半导体元件贴装在绝缘基板上并电性连接。这种集成有多种形式：从由多个功率器件(如功率MOSFET和IGBT)组成的简单的功率模块，到整合功率器件、驱动电路(预驱动器)、保护电路等等的智能功率模块(IPM)。

通常有两种用于电源模块基板的材料。这些都是适用于大功率的陶瓷基材料和金属基材料(如铝)。由于陶瓷基板与金属片相连(如铜和铝)，大型基板的加工是困难的并有所局限性，而集成可实现。金属基绝缘金属基板技术(IMST)成为解决这问题的方法。IMST是减小尺寸和重量的一种有效方法，将不同结构的半导体元件及无源器件和其它部分集成到单个模块中。IMST结构通过使用绝缘层覆盖铝片，将铜箔置于顶层，并在铜箔上蚀刻，使单层布线图案能被自由定制。铝线用作晶体管或IC/LSI裸芯片和铜箔图案之间的电性连接(即超声波粘合)。较厚的铜箔图案用于大电流应用，较薄的图案用于小电流。铝线的直径基于流经的额定电流和使用这些导线的目的(例如是用作跳线还是接地线)。当低热电阻优先时绝缘层做得更薄一些，当高压重要时绝缘层做得更厚一些。因为基板是铝， 导热性和导电性本质上是很高的。这支持处理大量电力，并提供电磁屏蔽效用。


图1. IMST横截面

一般的IPM贴装其组成元件到单独的电路板，由于这结构是点和线互联的框架，无法在这框架内实现多个功能。但是使用IMST结构，电路搭建在电路板上，可轻易实现多个功能。


图2.IMST和典型的IPM结构比较

关于电源模块或IPM，许多功率半导体厂商生产相应的目标应用的产品，功率MOSFET/贴装的分立元件数或基础线路板不是一律固定不变的。

用于车载系统的3相BLDC电机方案的比较

为减少车载3相BLDC电机的系统成本，可使用无位置检测传感器型(简称无传感器型)。一般安装一个功率MOSFETE和一个带微控制器的预驱动器IC，BLDC电机由软件控制。通常平均有170个元件贴装在印制线路板上。为替代这种情况，使用一个高度集成的IPM、一个使用功率MOSFET的专用控制器、预驱动器和硬逻辑器件，与自保护功能(防短路、过流、控制电源压降和过热)一起可集成到一个模块中，从而成为一个独立的单元。有关噪声可被降低。而且由于无需软件来驱动电机，可缩短设计周期。系统可靠性也显著提升。


图3.BLDC电机驱动器架构

一般情况下，3相BLDC电机比有刷电机更贵。它们也占用更多空间和更重。高密度IPM采用IMST，节省空间，系统成本也随之降低。例如，安森美半导体的独立无传感器式电机控制IPM如下图所示(参见图4)，包括无传感器位置检测逻辑和电机控制IC(序列)、6个功率MOSFET和外围元件。它直接对带同步整流的PWM控制器作出响应。


图4. 独立的无传感器式电机控制IPM框图

在这特别的IPM示例中，元件数已从通常所需的170个以实现分立结构减至只需5个。这是因为通过使用IMST能集成各种不同的元件。因此，贴装重量可减少60%，占板面积减少85%。当使用这IPM时，不再需要印制基板(支持实现无PCB)，IPM可置于电机占用面积范围内。


图5.使用PCB的分立方案比较无PCB方案(IPM)

基于IMST的IPM的其它好处

我们注意到基于IMST的IPM的第一大额外好处是它们提供高精度温度检测。对于分立元件，由于功率晶体管封装和温度检测电路封装相距甚远，导致温度检测时间延迟。使用基于IMST的IPM，由于功率晶体管、提供温度检测的控制电路和保护电路可贴装在同一板上。因此在温度检测中将最大限度减小误差，从而可实现高精度电路工作。


图6.温度检测

基于IMST的IPM的第二大好处是降低噪声。因为降低电机噪声是车载系统的一个重要方面，设计工程师需要尽可能降低噪声。EMI噪声构成设计阶段的一个主要问题。使用基于IMST的IPM，在金属基板的铝片和铜箔之间有一个分布式电容通过绝缘树脂。这有效地降低功率器件的开关噪声。其与分立结构的详细比较数据如图7 所示。


图7.开关噪声比较

此外，由于可减小IMST基板上布线和引线键合的寄生电感，通过抑制在开关状态转换期间当高压大电流器件硬开关时产生的高压浪涌，可降低噪声。


图8.高压浪涌

第三大好处在于基于金属的设计的出色的散热性能。此属性取决于绝缘材料和绝缘层的厚度。较薄的绝缘层可减小热阻抗。图9显示在多个绝缘金属基板上的绝缘层厚度和热阻抗值之间的关系。


图9.热阻抗图

未来的发展

用于当今紧凑经济型汽车和豪华型汽车的电机数量分别为50-60台和100-120台，且预计在2015年这数量将超过每辆车200台。随着尺寸的减小，重量和成本将因而日益重要，进一步的整合将至关重要。为用于广泛应用，除了仅有预驱动器的模块，这里介绍的独立的系统级IPM和无需开发电机控制算法的通用平台式方案也是需要的。而且随着大功率EPS的迅速发展，进一步增加配备现有的功率器件和并联电阻的功率模块密度的技术开发正在进行中。对IPM产品，三大技术开发是关键；包括基板和绝缘材料的封装技术，如引线键合的贴装技术，和功率半导体及控制电路的设计技术。