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智能功率模块(SPM)的技术水平分析
( 发表日期: -12-01 )

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当前的发展趋势。飞兆半导体的智能功率模块经过使用铜直接键合(DBC)基底的转模封装, 不但能够提高功率密度, 而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。

作者: DAE-WOONG CHUNG, BUM-SEOK SUH

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当前的发展趋势。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。经过使用铜直接键合(DBC)基底的转模封装, 不但能够提高功率密度, 而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, 因此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, 不但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具有出众的器件性能, 从而能够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。
另外, 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。另外, 使用外部充电反向电容, 能够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, 因为其信号是经过脉冲信号和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, 该电压经过自举电容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。可是, 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。这样能够方便地确定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展示了出众的噪声免疫能力, 能够耐受高达50V/ns的高dv/dt噪声, 而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。

表1. LVIC (典型值0.5V) 的过电流探测电平
错误信号用于通知系统控制器保护功能是否已经激活。错误信号输出是在低电平有效的集电极开路配置。它一般经过上拉电阻被拉升至3.3V到15V。当错误发生时, 错误线拉低, 低边IGBT的所有栅极被中断。如果错误是过电流引起的, 输出则出现一个脉冲, 然后自动复位。首选的低信号持续时间取决于它的应用。例如, 对于家电首选几毫秒, 可是在工业应用中首选一至两倍的IGBT开关频率。SPM的LVIC提供外部电容, 并根据各种要求设定该持续时间。
自举二极管
除了基本的三相逆变器拓扑, 更多的集成是半导体公司面临的挑战之一。约束不是技术问题, 受限的是成本和封装尺寸。从这一点来看, 自举二极管似乎成为集成的合适器件。实际上, 市场上已出现了数种内置自举二极管的产品, 可是从技术角度来看, 其方式略有不同。其中之一是使用HVIC上的高压结终止区域作为自举二极管。其应用局限于额定值在100W以下的低功率应用, 因为这种方式具有较大的正向压降和较差的动态特性。功率在400W左右时, 采用分立FRD作为自举二极管, 可是由于其封装尺寸有限, 没有串联电阻(RBS), 因此需要对大充电流进行特殊处理, 特别在初始的充电期间。在高于400W的应用中, 最常见的应用是将分立FRD和分立电阻进行组合。这种方式的唯一缺点是占用空间较大和相应的成本增高。
在SPM的开发中, 采用了新设计的自举二极管, 其设计目标是减小芯片尺寸和获得适中的正向压降, 以得到20Ω串联电阻的等效作用。如图4所示, 其压降特性等同于串联电阻和普通FRD。借助于这种特殊自举二极管的优点, 能够实现更多的集成同时保持最低的成本。

图4. 内置自举二极管的正向压降
封装
开发SPM封装的主要因素是改进性价比, 同时提升热循环和功率循环等封装的可靠性。因此, 以往用于IC和LSI产品的转模封装技术被用于功率模块。与具有塑料或环氧树脂外壳的普通功率模块相比, SPM具有相对简单的结构: 功率芯片和IC安装在铜引线框架上, 基底材料与框架连接, 最后在环氧树脂中模塑成型。
在封装设计中散热是重要的问题, 因为它决定了模块的功率容量限制, 且与隔离特性有着很大的折衷平衡关系。转模封装SPM系列根据功率额定值和应用, 采用几种隔离基底, 如表2所示。

表2. SPM系列的封装基底
借助现有的可变形基底的优点, 可在Mini-DIP SPM封装中实现600V 3A到30A的功率额定值, 同时保持PCB管脚布局和价格的竞争力, 如图5所示。

图5. 不同电流额定值下SPM产品系列的结和外壳之间的热阻
除了更高的可靠性和热性能之外, 制定模式的灵活性是DBC(直接相连铜)基底的另一个优点。这样能够针对多种应用提供派生产品, 比如功率因数校正、 开关磁阻电机等, 在此只需改变DBC, 而其它封装要素保持不变。
DBC的大批量生产还存在几个有待解决的技术问题, 采用丝网印刷、 多芯片安装技术以及传送带回流焊和助焊剂清理工艺, 开发DBC基底和引线框架的多芯片安装和连接技术。经过回流焊温度曲线调整, 获得接近零的焊接空洞, 增加熔解区域之间的温度斜坡, 优化焊料和丝网印刷掩模设计。经过模拟和实验方法, 调适封装的热翘曲以优化DBC基底的铜层厚度。
结论
受到成本因素的约束, SPM设计所需的综合技术包括功率器件、 驱动器IC、 封装以及系统优化。对于实际的批量生产, 组装和测试也是非常重要的。当前, SPM已将自身定位于最强大的低功率电机驱动逆变器解决方案, 而其发展将会越来越快。
作者: DAE-WOONG CHUNG
运动控制解决方案小组研发主管
BUM-SEOK SUH
运动控制解决方案小组总监
SPM研发部
飞兆半导体公司