深入解析 onsemi FNB43060T2 Motion SPM 45 模塊：高性能電機(jī)逆變器的理想之選

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，一款性能卓越、功能豐富的逆變器模塊對(duì)于提升電機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解 onsemi 的 FNB43060T2 Motion SPM 45 模塊，探討它的特點(diǎn)、參數(shù)以及應(yīng)用場景。

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模塊概述

FNB43060T2 是一款先進(jìn)的 Motion SPM 45 模塊，專為交流感應(yīng)電機(jī)（AC Induction）、無刷直流電機(jī)（BLDC）和永磁同步電機(jī)（PMSM）提供功能齊全、高性能的逆變器輸出級(jí)。該模塊集成了內(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)測以及故障報(bào)告等。其內(nèi)置的高速高壓集成電路（HVIC）僅需單電源電壓，就能將輸入的邏輯電平柵極輸入轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部 IGBT 所需的高壓、大電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。此外，每個(gè)相位都設(shè)有獨(dú)立的負(fù) IGBT 端子，可支持各種控制算法。

主要特點(diǎn)

認(rèn)證與性能

• UL 認(rèn)證：獲得 UL 認(rèn)證（編號(hào) E209204，符合 UL1557 標(biāo)準(zhǔn)），具備 600V - 30A 的三相 IGBT 逆變器，集成柵極驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能。
• 低損耗與高可靠性：采用低損耗、短路額定的 IGBT，內(nèi)置自舉二極管和專用 Vs 引腳，簡化 PCB 布局。
• 溫度監(jiān)測：內(nèi)置 NTC 熱敏電阻，可實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度。
• 電流傳感：低側(cè) IGBT 設(shè)有獨(dú)立的開集電極引腳，用于三相電流傳感。

電氣特性

• 單一接地電源：采用單一接地電源，簡化電源設(shè)計(jì)。
• 隔離等級(jí)：隔離額定值為 2000Vrms / min，確保電氣安全。

引腳配置與功能

引腳描述

內(nèi)部等效電路

逆變器的高側(cè)由三個(gè) IGBT、續(xù)流二極管和每個(gè) IGBT 的一個(gè)控制 IC 組成；低側(cè)同樣由三個(gè) IGBT、續(xù)流二極管和每個(gè) IGBT 的一個(gè)控制 IC 組成，具備柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)功能；功率側(cè)由四個(gè)逆變器直流母線輸入端子和三個(gè)逆變器輸出端子組成。

絕對(duì)最大額定值與熱阻

絕對(duì)最大額定值

在不同的工作條件下，模塊的各個(gè)參數(shù)都有其絕對(duì)最大額定值，例如：

• 逆變器部分：P - NU、NV、NW 之間的電源電壓（VPN）最大為 450V，浪涌電壓（VPN(Surge)）最大為 500V；集電極 - 發(fā)射極電壓（VCES）為 600V；每個(gè) IGBT 的集電極電流（±IC）在 TC = 25°C、TJ < 150°C 時(shí)為 30A，峰值電流（±ICP）在 1ms 脈沖寬度下為 60A；集電極耗散功率（PC）在 TC = 25°C 時(shí)為 59W；工作結(jié)溫（TJ）范圍為 -40 ~ 150°C。
• 控制部分：控制電源電壓（VDD）在 VDD(H)、VDD(L) - COM 之間最大為 20V；高側(cè)控制偏置電壓（VBS）在 VB(U) - VS(U)、VB(V) - VS(V)、VB(W) - VS(W) 之間最大為 20V；輸入信號(hào)電壓（VIN）在 IN(UH)、IN(VH)、IN(WH)、IN(UL)、IN(VL)、IN(WL) - COM 之間為 -0.3 ~ VDD + 0.3V；故障輸出電源電壓（VFO）在 VFO - COM 之間為 -0.3 ~ VDD + 0.3V；故障輸出電流（IFO）在 VFO 引腳的灌電流為 1mA；電流傳感輸入電壓（VSC）在 CSC - COM 之間為 -0.3 ~ VDD + 0.3V。
• 自舉二極管部分：最大重復(fù)反向電壓（VRRM）為 600V；正向電流（IF）在 TC = 25°C、TJ < 150°C 時(shí)為 0.5A，峰值正向電流（IFP）在 1ms 脈沖寬度下為 2.0A；工作結(jié)溫（TJ）范圍為 -40 ~ 150°C。
• 整個(gè)系統(tǒng)：自保護(hù)電源電壓極限（VPN(PROT)）在特定條件下為 400V；模塊外殼工作溫度（TC）范圍為 -40 ~ 125°C；存儲(chǔ)溫度（TSTG）范圍為 -40 ~ 125°C；隔離電壓（VISO）為 2000Vrms（60Hz，正弦交流，1 分鐘，引腳連接到散熱板）。

熱阻

逆變器 IGBT 部分的結(jié)到外殼熱阻（Rth(j - c)Q）（每 1/6 模塊）最小為 2.1°C/W；逆變器續(xù)流二極管部分的結(jié)到外殼熱阻（Rth(j - c)F）（每 1/6 模塊）為 2.8°C/W。

電氣特性

逆變器部分

• 飽和電壓（VCE(SAT)）：典型值為 1.65V，最大值為 2.25V。
• 正向電壓（VF）：在 $I{F}=30A$、$T{J}=25^{circ}C$ 時(shí)為 2.00V。
• 開關(guān)時(shí)間：包括開通時(shí)間（tON）和關(guān)斷時(shí)間（tOFF），具體數(shù)值與測試條件有關(guān)，例如在 VPN = 300V、VDD = VBS = 15V、Ic = 30A、$V_{IN}=0Vleftrightarrow5V$、感性負(fù)載條件下，tON 典型值為 0.45us，最大值為 1.35us；tOFF 典型值為 0.20us，最大值為 0.50us。

控制部分

• 電流：不同引腳的電流參數(shù)不同，如 VDD(H) - COM 之間的電流（IQDDH）在 $V{DD(H)}=15V$、$IN{(UH,VH, WH)}=0V$ 時(shí)最大值為 0.10mA；VDD(L) - COM 之間的電流（IQDDL）在 $V{DD(L)}=15V$、$IN{(UL,VL, WL)}=0V$ 時(shí)最大值為 2.65mA。
• 故障輸出電壓（VFH）：在 $V{SC}=0V$、$V{FO}$ 電路通過 4.7kΩ 上拉到 5V 時(shí)為 4.5V。
• 欠壓保護(hù)：檢測電平（UVDDR）為 10.5V，復(fù)位電平為 11.0V；高側(cè)欠壓檢測（UVBSD）檢測電平為 12.5V，復(fù)位電平為 10.5 ~ 13.0V。

推薦工作條件

電壓與電流

• VPN：P - NU、NV、NW 之間的電壓推薦值為 300V。
• VDD：控制電源電壓在 VDD(H)、VDD(L) - COM 之間推薦值為 13.5 ~ 15.0V。
• VBS：高側(cè)偏置電壓在 VB(U) - VS(U)、VB(V) - VS(V)、VB(W) - VS(W) 之間推薦值為 15.0V。
• V_SEN：電流傳感電壓在 NU、NV、NW - COM 之間（包括浪涌電壓）范圍為 -4 ~ 4V。

其他參數(shù)

• 控制電源變化率（dVDD/dt）：范圍為 -1 ~ 1V/us。
• 消隱時(shí)間（tdead）：用于防止橋臂短路，推薦值為 1.0us。
• PWM 輸入信號(hào)：在 -40°C ≤ TC ≤ 125°C、-40°C ≤ TJ ≤ 150°C 條件下，頻率為 20kHz。
• 最小輸入脈沖寬度（PWIN(OFF)）：在 $V{DD}=V{BS}=15V$、$I_{C} leq 60A$、NU、V、W 與直流母線 N 之間的布線電感小于 10nH 時(shí)為 1.2us。

保護(hù)功能與應(yīng)用電路

保護(hù)功能

• 欠壓保護(hù)：分為低側(cè)和高側(cè)欠壓保護(hù)。低側(cè)欠壓保護(hù)在控制電源電壓上升到 UVDDR 后，電路開始工作；當(dāng)檢測到欠壓（UVDDD）時(shí)，IGBT 關(guān)斷，故障輸出開始工作，直到欠壓復(fù)位（UVDDR）后，IGBT 才能再次導(dǎo)通。高側(cè)欠壓保護(hù)類似，但沒有故障輸出信號(hào)。
• 短路保護(hù)：僅在低側(cè)工作。當(dāng)檢測到短路電流（SC 觸發(fā)）時(shí)，所有低側(cè) IGBT 的柵極被硬中斷，IGBT 關(guān)斷，故障輸出開始工作，直到故障輸出結(jié)束且觸發(fā)下一個(gè)從低到高的信號(hào)，IGBT 才能再次導(dǎo)通。

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)：

• 布線：各輸入的布線應(yīng)盡可能短（小于 2 - 3cm），以避免故障；RF 和 CSC 周圍的布線也應(yīng)盡可能短，以防止保護(hù)功能出錯(cuò)；控制 GND 線和電源 GND 線（包括 NU、NV、NW）應(yīng)僅在一點(diǎn)連接，且布線距離應(yīng)盡可能短。
• 元件選擇：VFO 輸出為開漏類型，應(yīng)使用電阻上拉到 MCU 或控制電源的正極，使 IFO 達(dá)到 1mA；CSP15 建議為自舉電容 CBS 的約七倍；輸入信號(hào)為高電平有效類型，IC 內(nèi)部有 5kΩ（典型值）下拉電阻，建議使用 RC 耦合電路防止輸入信號(hào)振蕩，$R{S}C{PS}$ 時(shí)間常數(shù)應(yīng)在 50 - 150ns 范圍內(nèi)（推薦 $R{S}=100Omega$，$C{PS}=1nF$）；在短路保護(hù)電路中，$R{F}C{SC}$ 時(shí)間常數(shù)應(yīng)在 1.5 - 2s 范圍內(nèi)；每個(gè)電容應(yīng)盡可能靠近 Motion SPM 45 模塊的引腳安裝；在 P 和 GND 引腳之間建議使用約 0.1 - 0.22μF 的高頻無感電容，以防止浪涌破壞；應(yīng)選擇溫度特性良好的電解電容作為 CBS，選擇 0.1 - 0.2μF 的 R 類陶瓷電容作為 CSC，其具有良好的溫度和頻率特性。

總結(jié)

FNB43060T2 Motion SPM 45 模塊憑借其豐富的功能、卓越的性能和完善的保護(hù)機(jī)制，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體需求合理選擇工作條件和元件參數(shù)，確保模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要嚴(yán)格遵循布線和元件安裝的要求，以充分發(fā)揮模塊的優(yōu)勢。你在使用這款模塊的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。