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高集成汽车功率模块改进汽车电气化设计

2014-04-12   发表:

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。

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 mm厚系数为2.1 W/(m-K)的导热材料。

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。

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功率模块可显着增强载流量。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。



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