深入解析FSBB20CH120DF Motion SPM? 3系列模塊

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，高性能的功率模塊是實(shí)現(xiàn)高效、可靠電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。今天，我們就來詳細(xì)探討一下ON Semiconductor的FSBB20CH120DF Motion SPM? 3系列模塊，它在電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

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一、模塊概述

FSBB20CH120DF是一款先進(jìn)的Motion SPM? 3模塊，專為交流感應(yīng)、無刷直流（BLDC）和永磁同步（PMSM）電機(jī)提供全功能、高性能的逆變器輸出級(jí)。它集成了內(nèi)置IGBT的優(yōu)化柵極驅(qū)動(dòng)，能有效降低電磁干擾（EMI）和損耗，同時(shí)具備多種模塊級(jí)保護(hù)功能，如欠壓鎖定、過流關(guān)斷、驅(qū)動(dòng)IC的熱監(jiān)測(cè)和故障報(bào)告等。

二、模塊特性

（一）電氣特性

1. 高電壓與大電流處理能力：具備1200V - 20A的三相IGBT逆變器，能夠滿足多種工業(yè)應(yīng)用的需求。在逆變器部分，其集電極 - 發(fā)射極電壓（(V{CES})）可達(dá)1200V，每個(gè)IGBT集電極電流（(pm I{C})）在(T{C} = 25^{circ}C)，(T{J} leq 150^{circ}C)時(shí)為20A，峰值電流（(pm I_{CP})）在相同條件下，1ms脈沖寬度時(shí)可達(dá)40A。
2. 低損耗與快速開關(guān)特性：低損耗的IGBT和快速的開關(guān)時(shí)間是該模塊的一大亮點(diǎn)。例如，在(V{PN} = 600V)，(V{CC} = 15V)，(I{C} = 20A)，(T{J} = 25^{circ}C)的條件下，高側(cè)（HS）的開通時(shí)間（(t{ON})）典型值為1.05μs，關(guān)斷時(shí)間（(t{OFF})）典型值為1.70μs；低側(cè)（LS）的開通時(shí)間（(t{ON})）典型值為0.90μs，關(guān)斷時(shí)間（(t{OFF})）典型值為1.60μs。
3. 保護(hù)功能完善：集成了欠壓鎖定保護(hù)（UVLO）和短路保護(hù)（SCP）等功能。對(duì)于逆變器高側(cè)IGBT，有柵極驅(qū)動(dòng)電路、高壓隔離高速電平轉(zhuǎn)換控制電路和欠壓鎖定保護(hù)；對(duì)于逆變器低側(cè)IGBT，有柵極驅(qū)動(dòng)電路、短路保護(hù)控制電源電路和欠壓鎖定保護(hù)。同時(shí)，還具備故障信號(hào)輸出，對(duì)應(yīng)欠壓（低側(cè)電源）和短路故障。

（二）熱特性

采用AlN DBC基板，具有非常低的熱阻。逆變器IGBT部分（每1/6模塊）的結(jié)到殼熱阻（(R{th(j - c)Q})）最大為0.55°C/W，逆變器續(xù)流二極管部分（每1/6模塊）的結(jié)到殼熱阻（(R{th(j - c)F})）最大為0.90°C/W，這有助于模塊在工作時(shí)有效散熱，保證其穩(wěn)定性和可靠性。

（三）其他特性

1. UL認(rèn)證：獲得UL認(rèn)證（編號(hào)E209204，UL1557），符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。
2. 簡(jiǎn)化PCB布局：專用的(V_{S})引腳簡(jiǎn)化了PCB布局，同時(shí)低側(cè)IGBT的獨(dú)立開集電極引腳可用于三相電流檢測(cè)。
3. 單接地電源：只需單接地電源，降低了電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
4. 溫度監(jiān)測(cè)：內(nèi)置LVIC溫度傳感功能，可用于溫度監(jiān)測(cè)。
5. 隔離等級(jí)：隔離額定值為2500Vrms / 1min，提供了良好的電氣隔離性能。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

主要應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)（AC 400V類）的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，它能夠?yàn)殡姍C(jī)提供高效、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，滿足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)電機(jī)性能的要求。大家在實(shí)際設(shè)計(jì)中，是否遇到過因模塊性能不足而導(dǎo)致電機(jī)驅(qū)動(dòng)不穩(wěn)定的情況呢？

四、引腳配置與說明

（一）引腳配置

該模塊共有27個(gè)引腳，包括電源引腳、信號(hào)輸入引腳、故障輸出引腳、溫度傳感引腳等。具體引腳配置可參考文檔中的引腳圖。

（二）引腳說明

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，正確理解和使用這些引腳是確保模塊正常工作的關(guān)鍵。大家在處理引腳連接時(shí)，有沒有遇到過一些容易混淆的地方呢？

五、絕對(duì)最大額定值與電氣特性

（一）絕對(duì)最大額定值

1. 逆變器部分：電源電壓（(V{PN})）在P - (N{U})，(N{V})，(N{W})之間的額定值為900V，浪涌電壓（(V{PN(Surge)})）為1000V；集電極 - 發(fā)射極電壓（(V{CES})）為1200V；每個(gè)IGBT集電極電流（(pm I{C})）在(T{C} = 25^{circ}C)，(T{J} leq 150^{circ}C)時(shí)為20A，峰值電流（(pm I{CP})）在相同條件下，1ms脈沖寬度時(shí)可達(dá)40A；集電極耗散功率（(P{C})）在(T{C} = 25^{circ}C)時(shí)為227W；工作結(jié)溫（(T_{J})）范圍為 - 40 ~ 150°C。
2. 控制部分：控制電源電壓（(V{CC})）在(V{CC(H)})，(V{CC(L)}) - COM之間的額定值為20V；高側(cè)控制偏置電壓（(V{BS})）在(V{B(U)}) - (V{S(U)})，(V{B(V)}) - (V{S(V)})，(V{B(W)}) - (V{S(W)})之間的額定值為20V；輸入信號(hào)電壓（(V{IN})）在IN (UH)，IN (VH)，IN (WH)，IN (UL)，IN (VL)，IN (WL) - COM之間的范圍為 - 0.3 ~ (V{CC}) + 0.3V；故障輸出電源電壓（(V{FO})）在(V{FO}) - COM之間的范圍為 - 0.3 ~ (V{CC}) + 0.3V；故障輸出電流（(I{FO})）在(V{FO})引腳的灌電流為2mA；電流傳感輸入電壓（(V{SC})）在(C{SC}) - COM之間的范圍為 - 0.3 ~ (V{CC}) + 0.3V。
3. 總系統(tǒng)：自保護(hù)電源電壓極限（短路保護(hù)能力）（(V{PN(PROT)})）在(V{CC} = V{BS} = 13.5 ~ 16.5V)，(T{J} = 150^{circ}C)，非重復(fù)，< 2μs的條件下為800V；模塊外殼工作溫度（(T{C})）范圍為 - 40 ~ 125°C；存儲(chǔ)溫度（(T{STG})）范圍為 - 40 ~ 125°C；隔離電壓（(V_{ISO})）在60Hz，正弦波，交流1分鐘，連接引腳到散熱板的條件下為2500Vrms。

（二）電氣特性

在(T{J} = 25^{circ}C)的條件下，逆變器部分的集電極 - 發(fā)射極飽和電壓（(V{CE(SAT)})）在(V{CC} = V{BS} = 15V)，(V{IN} = 5V)，(I{C} = 20A)時(shí)，典型值為2.20V，最大值為2.80V；續(xù)流二極管正向電壓（(V{F})）在(V{IN} = 0V)，(I_{F} = 20A)時(shí)，典型值為2.10V，最大值為2.70V。控制部分也有相應(yīng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電流、電壓等參數(shù)。

在設(shè)計(jì)過程中，嚴(yán)格遵守這些額定值和特性是保證模塊安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。大家在實(shí)際應(yīng)用中，有沒有遇到過因超出額定值而導(dǎo)致模塊損壞的情況呢？

六、推薦工作條件

（一）電源電壓

電源電壓（(VPN)）在P - (N{U})，(N{V})，(N{W})之間的推薦范圍為300 ~ 800V；控制電源電壓（(V{CC})）在(V{CC(UH)})，(V{CC(VH)})，(V{CC(WH)}) - COM，(V{CC(L)}) - COM之間的推薦范圍為13.5 ~ 16.5V；高側(cè)偏置電壓（(V{BS})）在(V{B(U)}) - (V{S(U)})，(V{B(V)}) - (V{S(V)})，(V{B(W)}) - (V_{S(W)})之間的推薦范圍為13.0 ~ 18.5V。

（二）其他參數(shù)

控制電源電壓變化率（(dV{CC} / dt)）和高側(cè)偏置電壓變化率（(dV{BS} / dt)）的推薦范圍為 - 1 ~ 1V/μs；消隱時(shí)間（(t{dead})）為2.0μs，用于防止橋臂短路；PWM輸入信號(hào)頻率（(f{PWM})）在 - 40°C ≤ (T{C}) ≤ 125°C， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ 150°C的條件下為20kHz；電流傳感電壓（(V{SEN})）在(N{U})，(N{V})，(N{W}) - COM之間的范圍為 - 5 ~ 5V；最小輸入脈沖寬度（(P{WIN(ON)})和(P{WIN(OFF)})）在(V{CC} = V{BS} = 15V)，(I{C} leq 40A)，布線電感 < 10nH的條件下為2.0μs；結(jié)溫（(T{J})）范圍為 - 40 ~ 150°C。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，按照推薦工作條件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，可以充分發(fā)揮模塊的性能。大家在調(diào)整這些參數(shù)時(shí)，有沒有什么經(jīng)驗(yàn)可以分享呢？

七、機(jī)械特性與安裝注意事項(xiàng)

（一）機(jī)械特性

模塊的平整度在0 ~ +150μm之間；安裝扭矩推薦值為0.7N·m（7.1kg·cm），范圍為0.6 ~ 0.8N·m（6.2 ~ 8.1kg·cm）；端子拉力強(qiáng)度為19.6N，持續(xù)10s；端子彎曲強(qiáng)度為9.8N，90°彎曲2次；重量為15g。

（二）安裝注意事項(xiàng)

1. 安裝螺絲時(shí)不要過度擰緊，過大的安裝扭矩可能會(huì)導(dǎo)致DBC基板開裂，以及螺栓和鋁散熱片損壞。
2. 避免單邊擰緊應(yīng)力，應(yīng)按照推薦的扭矩順序進(jìn)行安裝，不均勻的安裝可能會(huì)損壞封裝的DBC基板。預(yù)擰緊扭矩設(shè)置為最大扭矩額定值的20 ~ 30%。

在安裝模塊時(shí)，大家有沒有遇到過因安裝不當(dāng)而導(dǎo)致模塊性能下降的情況呢？

八、保護(hù)功能與應(yīng)用電路

（一）保護(hù)功能

1. 欠壓保護(hù)：包括低側(cè)和高側(cè)的欠壓保護(hù)。低側(cè)欠壓保護(hù)在控制電源電壓上升到(UV{CCR})后，電路在下次輸入信號(hào)到來時(shí)開始工作；當(dāng)檢測(cè)到欠壓（(UV{CCD})）時(shí)，IGBT關(guān)斷，故障輸出以固定脈沖寬度工作；欠壓復(fù)位（(UV_{CCR})）后，IGBT在下次信號(hào)觸發(fā)時(shí)恢復(fù)正常工作。高側(cè)欠壓保護(hù)類似，但沒有故障輸出信號(hào)。
2. 短路保護(hù)：僅在低側(cè)工作。當(dāng)檢測(cè)到短路電流時(shí)，所有低側(cè)IGBT的柵極被硬中斷，IGBT關(guān)斷，故障輸出以固定脈沖寬度工作；在故障輸出有效期間，即使輸入為高電平，IGBT也不會(huì)導(dǎo)通，直到下一個(gè)從低到高的信號(hào)觸發(fā)。

（二）應(yīng)用電路

文檔中給出了推薦的CPU I/O接口電路和典型應(yīng)用電路。在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 每個(gè)輸入的布線應(yīng)盡可能短（小于2 - 3cm），以避免故障。
2. (V{FO})輸出為開漏類型，信號(hào)線應(yīng)通過一個(gè)電阻上拉到MCU或控制電源的正極，使(I{FO})達(dá)到2mA。
3. 輸入信號(hào)為高電平有效類型，IC內(nèi)部有5kΩ的下拉電阻，應(yīng)采用RC耦合電路防止輸入信號(hào)振蕩，(R{1}C{1})時(shí)間常數(shù)應(yīng)選擇在50 ~ 150ns范圍內(nèi)（推薦(R{1} = 100Ω)，(C{1} = 1nF)）。
4. 各布線電感應(yīng)盡量減?。ㄍ扑]小于10nH），使用表面貼裝（SMD）類型的分流電阻R4以降低布線電感。
5. 為防止保護(hù)功能出錯(cuò)，B、C、D點(diǎn)的布線應(yīng)盡可能短。
6. 在短路保護(hù)電路中，(R{6}C{6})時(shí)間常數(shù)應(yīng)選擇在1.5 ~ 2μs范圍內(nèi)，并在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行充分評(píng)估。
7. 每個(gè)電容應(yīng)盡可能靠近Motion SPM? 3產(chǎn)品的引腳安裝。
8. 為防止浪涌破壞，平滑電容(C_{7})與P和GND引腳之間的布線應(yīng)盡可能短，推薦在P和GND引腳之間使用0.1 ~ 0.22μF的高頻無感電容。
9. 在工業(yè)應(yīng)用中，繼電器與CPU之間應(yīng)保持足夠的距離。
10. 應(yīng)采用齊納二極管或瞬態(tài)電壓抑制器保護(hù)IC免受浪涌破壞，推薦使用22V / 1W的齊納二極管，其齊納阻抗特性小于約15Ω。
11. (C{2})的容量建議為自舉電容(C{3})的7倍左右。
12. (C{3})應(yīng)選擇溫度特性良好的電解電容，(C{4})應(yīng)選擇0.1 ~ 0.2μF的R類陶瓷電容，具有良好的溫度和頻率特性。

在設(shè)計(jì)應(yīng)用電路時(shí)，大家有沒有遇到過一些因電路布局不合理而導(dǎo)致的問題呢？

綜上所述，F(xiàn)SBB20CH120DF Motion SPM? 3系列模塊具有豐富的特性和完善的保護(hù)功能，適用于工業(yè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，電子工程師需要充分了解模塊的各項(xiàng)參數(shù)和特性，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和安裝，以確保模塊的性能和可靠性。大家在使用該模塊的過程中，還有哪些問題或經(jīng)驗(yàn)可以交流呢？