智能功率模块(SPM)的技术水平分析

在消费电器和一般工业应用的低功率电机驱动领域中，采用转模(transfer-molded)封装的智能功率模块是目前的发展趋势。飞兆半导体的智能功率模块(SPM)涵盖0.05至7kW的功率范围，具有紧凑性、功能性、可靠性以及成本效益。通过使用铜直接键合(DBC)基底的转模封装，不仅能够提高功率密度，并且在单一封装中便可实现三相逆变器、SRM驱动器和功率因数校正等各种电路拓扑。本文将从器件、封装以及系统配置的角度介绍在SPM中实现的尖端技术。

　　对于服务于家电和低功率工业市场的公司来说，关注重点越来越多地从制造过程的纵向集成转向核心竞争力的开发，例如品牌开发、客户服务及物流等。将分立功率半导体器件和驱动器集成进一个封装中，能够使这些公司减少在设计上花费的时间和精力，保证其电器产品拥有可靠的功率电子部件。这种集成使这些公司能够缩短产品上市时间，更快地将创新技术带给最终用户。

　　推动对创新需求的一个动力是长远的节能倡议，这些倡议迫使企业采用逆变器驱动技术。不同类型的电器使用不同的驱动解决方案，所以不同类型系统的功率级要求都有所不同，即电路拓扑和功率水平。本文将列出多个实例，将不同的器件成功地集成在一个模块中以满足这些变化多样的需求。

　　从1999年首次开发SPM至今，飞兆半导体已经成功开发了多种SPM系列，涵盖从50W至7kW的消费电器和低功率一般工业应用。本文将详细介绍SPM设计概念及其半导体实现方法(功率器件和控制IC)、封装及系统技术。

功率器件

　　由于IGBT技术的进步，自从SPM系列首次在工业市场出现以来，一直不断地经历着升级。随着亚微米设计规则的引入，不仅芯片尺寸减小的速度加快，同时电流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片实现了关断损耗和导通压降之间更好的性能平衡关系，同时确保拥有足够的SOA。图1表示IGBT技术方面的改进。显然，V5 IGBT具有出色的器件性能，从而可以在更小的封装中增大功率容量。

　　低功耗运作常常需要更快的开关速度，这造成了恢复电流的增加和dv/dt的升高，会带来较大的电磁干扰(EMI)、高浪涌电压和电机泄漏电流。在SPM系列的开发过程中，已经考虑了EMI问题，并优化了栅极驱动的设计，牺牲高开关速度以控制集成IGBT的开关速度。正是由于IGBT具有低导通压降，能够保持总体功耗不变，同时实现低EMI特性。图2所示为SPM的典型dv/dt特性。在其额定电流下，开启和关断dv/dt低于5kV/μs。

　　此外，为了获得更佳的ESD保护，在栅极和发射极之间使用了具有足够的箝位电压的多硅背靠背二极管。2,350×2,350平方微米的芯片面积能够获得HBM 2.5kV和MM 300V的ESD电平。使用集成式保护二极管，所有的SPM产品都达到工业标准ESD电平。

图1. SPM制造过程中IGBT的改进

图2. 开关dv/dt特性(Vpn=300V、Vcc=15V、25度、20A额定电流) 驱动器IC 　　由于成本效益的原因，HVIC和LVIC设计为具有最少的必要功能，特别适合于消费电器的逆变器驱动。设计方面的考虑包括：借助精细工艺技术减小芯片尺寸；由3V馈入微控制器直接驱动有效的"高电平"接口；低功耗；更高的抗噪声能力；抗温度变化的更好稳定性等等。 　　HVIC的一个特性是内置高电平偏移功能，如图3所示，能够将来自微控制器的PWM输入直接转换至高边功率器件。此外，使用外部充电反向电容，可以采用单一控制电源驱动SPM。 图3. 高边驱动器配置 　　另一方面，HVIC对于外部噪声敏感，因为其信号是通过脉冲信号和SR锁存器进行转换的。对于这种脉冲驱动HVIC，高dv/dt开关驱动IGBT是最危险的开关类型。假设从漏极看LDMOS寄生电容是CM，高边IGBT的导通dv/dt是dVS/dt，CM必须采用大电流(CM*dVS/dt)充电，才能使LDMOS漏极电压跟随快速变化的VB电压，该电压通过自举电容CBS与VS耦合。大充电电流在R1和R2上引起过大的压降，从而误触发SR锁存器。 　　为了克服噪声敏感性，因此开发了具有独特拓扑的噪声消除器，如图3所示。V/I转换器将电平变换器的输出转换成电流信息。对于具有高dv/dt的共模噪声，V/I转换器会给出相同的输出。但是，对于正常运作，V/I转换器输出是互不相同的，因为两个LDMOS中只有一个工作于正常的电平转换器运作状态。这样可以方便地确定V/I转换器的输出是否是由于噪声引起。一旦噪声消除器识别出有共模噪声侵入，它便吸收V/I转换器的电流输出。然后，V/I转换器重建电压信号，这个信号来自V/I转换器的电流输出，在VB和VS电源轨之间摆动。最后，经放大的信号送到SR锁存器。 　　V/I和I/V转换的另一个优点是允许负VS电压不再受电路的阈值电压支配。由于其独特的拓扑，飞兆半导体的HVIC展示了出色的噪声免疫能力，能够耐受高达50V/ns的高dv/dt噪声，并且扩展负电压运作范围，在VBS=15V左右达到VS=-10V。 　　LVIC负责所有的保护功能及其向微控制器的反馈。它的保护电路检测控制电源电压、LVIC温度以及带外部并联电阻的IGBT集电极电流，并在错误状态中断IGBT的操作。有关的保护应该不受温度和电源电压的影响。例如在表1中给出了LVIC中过电流保护的探测电平。