英飛凌48V BSG逆變器功率級參考設(shè)計解析

在當(dāng)今的汽車電子領(lǐng)域，48V Belt-driven Starter Generator（BSG）系統(tǒng)對于提升發(fā)動機(jī)輸出扭矩起著至關(guān)重要的作用。英飛凌推出的這款48V BSG逆變器功率級參考設(shè)計，為工程師們在設(shè)計相關(guān)逆變器時提供了寶貴的參考。下面我們就來詳細(xì)解析一下這個設(shè)計。

文件下載：48VBSGINVERTERTOBO1.pdf

一、設(shè)計背景與目的

BSG系統(tǒng)在微混合動力汽車中作為電機(jī)使用，其逆變器需要緊湊地安裝在電機(jī)底部，電源為DC 48V，峰值功率達(dá)12kW，輸出電流高達(dá)400Arms，還會產(chǎn)生超過550W的功率損耗。該設(shè)計旨在幫助客戶在設(shè)計48V BSG逆變器的初始階段，提供主要組件及其功能的詳細(xì)描述，方便客戶根據(jù)自身需求復(fù)用和修改原始設(shè)計。

二、快速啟動指南

2.1 系統(tǒng)框圖

逆變器的框圖中，紅色矩形部分為功率級，包含MOSFET和直流母線電容組。四個MOSFET并聯(lián)作為一個開關(guān)。

2.2 帶散熱器的系統(tǒng)

功率級可安裝在目標(biāo)電機(jī)后部，實驗室測試時需安裝在水冷或風(fēng)冷散熱器上，并使用導(dǎo)熱膏。無散熱器時5分鐘內(nèi)可處理小于5A的電流。散熱器上需有3mm深的凹槽，用于容納母線底部的電容器端子。

2.3 連接器

所有柵極驅(qū)動信號使用一個連接器，型號為Samtec的TFM110 - 22 - S - D - P，用戶需使用Samtec SFSD - 10 - 28 - G作為對應(yīng)連接器。文檔詳細(xì)給出了連接器的引腳分配。

2.4 電源端子

有5個電源端子，DC +和DC -連接48V電源，M8螺絲U、V、W連接三相電機(jī)。

三、設(shè)計特點

3.1 逆變器規(guī)格

逆變器規(guī)格描述了功率級的工作條件，目標(biāo)電機(jī)為永磁同步電機(jī)（PMSM），最關(guān)鍵的規(guī)格是峰值相電流。具體參數(shù)包括不同模式下的直流母線電壓、輸出功率、峰值功率、相電流、開關(guān)頻率等。

3.2 關(guān)鍵組件

3.2.1 母線和電容器

母線上焊接了十個鋁電容器，可根據(jù)電機(jī)的最大反電動勢選擇不同型號。如電機(jī)最大反電動勢低于80V，80V 820uF的電容器是更好的選擇，具有更高的抗振性。

3.2.2 功率板

功率板采用絕緣金屬基板（IMS）材料，銅層厚度為3oz（0.105mm），有助于處理400A - 500Arms的電流；鋁基板厚度為2mm，可應(yīng)對動態(tài)熱行為。板上有四個M6螺絲和三個M8螺絲，分別連接電容器組和電機(jī)相。

3.2.3 TOLL & TOLG MOSFET

TO - Leadless（TOLL）是為高功率高可靠性應(yīng)用優(yōu)化的封裝，尺寸小、電流能力強(qiáng)、熱阻低，可實現(xiàn)更高的功率密度和可靠性。TO - Leaded with Gullwing geometry（TOLG）是TOLL的衍生產(chǎn)品，在鋁芯IMS板上具有更好的熱循環(huán)性能，其引腳布局與TOLL兼容。與常用的D2PAK或D2PAK 7Pin相比，TOLL和TOLG的占地面積更小，空間占用減少。同時，AEC - Q101合格的TOLL和TOLG MOSFET可用于汽車應(yīng)用。

四、功能描述與設(shè)計實現(xiàn)

4.1 功率損耗計算

功率損耗分為MOSFET功率損耗（ (P{M}) ）和二極管功率損耗（ (P{D}) ）， (P{M}) 又分為傳導(dǎo)損耗（ (P{CM}) ）和開關(guān)損耗（ (P{SWM}) ）， (P{D}) 分為傳導(dǎo)損耗（ (P{CD}) ）和開關(guān)損耗（ (P{SWD}) ）。通過一系列公式計算不同相電流下每個MOSFET的功率損耗，為熱估計提供依據(jù)。

4.2 熱估計

4.2.1 冷卻結(jié)構(gòu)

MOSFET焊接在IMS板上，IMS板由銅層、介電層和鋁層組成，通過導(dǎo)熱膏安裝在水冷散熱器上。

4.2.2 溫度上升估計

穩(wěn)態(tài)溫度上升可通過功率損耗乘以熱阻來估計，總熱阻估計為2K/W，在160Arms時，穩(wěn)態(tài)溫度上升約為10.76°C。

4.2.3 熱模擬

在理想環(huán)境下進(jìn)行熱模擬，結(jié)果顯示MOSFET的溫度分布和熱耦合情況。在不同相電流下，模擬和估計的結(jié)溫上升情況不同，動態(tài)情況下需考慮一定的余量。

4.2.4 銅基IMS板熱考慮

由于FR4和鋁的熱膨脹系數(shù)不同，鋁基IMS基板上TOLL封裝的焊料壽命較低。銅基IMS（CTE~17 ppm/K）與FR4效果相同，且銅的熱導(dǎo)率比鋁高70%，熱存儲容量比鋁高40%，使用1.6mm銅層的性能略優(yōu)于2mm鋁層。

4.2.5 用于鋁基IMS板的TOLG MOSFET

推薦使用TOLG封裝的MOSFET用于鋁基IMS板，在相同條件下，TOLG的性能比TOLL更好，這得益于其鷗翼型引腳的靈活性。

4.3 驅(qū)動IC和電路分析

由于MOSFET電阻低但柵極電荷高，四個并聯(lián)的MOSFET總柵極電荷最大可達(dá)828nC，建議設(shè)計一個10mA的電荷泵電路用于高端開關(guān)。還提出了一種優(yōu)化開關(guān)電路的方案，通過使用R1和肖特基二極管D1，可降低柵極峰值電流和關(guān)斷電壓閾值，且功率損耗基本不變。

4.4 原理圖

文檔給出了IMS板的原理圖，每個MOSFET有單獨的柵極電阻，四個并聯(lián)的MOSFET有一個公共下拉電阻和公共齊納二極管。還使用了100nF電容器作為緩沖電路，以及NTC電阻用于溫度測量。

4.5 機(jī)械邊界

功率級需安裝在電機(jī)端部，設(shè)計有機(jī)械邊界限制。電機(jī)直徑為170mm，功率級直徑為145mm，高度小于40mm。同時，功率級上方空間會被帶有微控制器和驅(qū)動電路的控制板占用，組件布局需考慮控制板的位置。

4.6 雜散電感考慮

MOSFET高電流關(guān)斷時，需分析 (V_{DS}) 尖峰以避免MOSFET雪崩。使用疊層母線可最小化母線的雜散電感，PCB布局的雜散電感可按微帶線計算。通過公式計算可知，走線長度應(yīng)盡可能短，寬度在大于10mm時對電感影響不大。

4.7 組件布置和布局

每個MOSFET有自己的柵極電阻，位于MOSFET左側(cè)靠近柵極引腳，并聯(lián)MOSFET間距約2mm，有助于解耦熱效應(yīng)。MOSFET圍繞相輸出端子布置，使電流和熱分布均勻。連接器位于中間，通過跳線連接六個柵極和源極信號。

4.8 物料清單

文檔給出了功率板的物料清單，包括電容器、二極管、MOSFET、電阻、NTC電阻、連接器和跳線等組件的型號和數(shù)量。

五、測量結(jié)果

5.1 X射線檢查

檢查24個MOSFET下方是否有氣泡，氣泡面積為40% - 50%，經(jīng)計算會導(dǎo)致一定的溫度上升，雖從質(zhì)量角度不可接受，但可用于熱評估和實驗室測試。

5.2 開關(guān)行為

開關(guān)行為測試顯示，570A關(guān)斷時 (V{DS}) 峰值為65V（ (V{DC}) 為46V），電壓尖峰為17V。

5.3 熱分布

5.3.1 靜態(tài)熱分布

靜態(tài)熱測試對直流母線電容器至關(guān)重要。測試條件下，MOSFET通過液冷散熱器良好冷卻，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后溫度上升約10°C，結(jié)溫比殼溫高幾度，直流母線電容器溫度可達(dá)40°C，需外部散熱器處理連續(xù)工況下的熱量。

5.3.2 動態(tài)熱分布

進(jìn)行了三項動態(tài)熱測試，分別是400Arms電感負(fù)載實驗室測試、40Nm負(fù)載臺架測試和50Nm負(fù)載臺架測試。測試結(jié)果顯示，不同工況下MOSFET的殼溫和結(jié)溫上升情況不同，但都能滿足要求，直流母線電容器在測試中溫度較低，熱存儲容量足以應(yīng)對動態(tài)熱。

5.4 轉(zhuǎn)矩 - 速度特性

逆變器加電機(jī)在測試臺上可達(dá)到預(yù)期的轉(zhuǎn)矩 - 速度特性，顯示了BSG系統(tǒng)的能力，該特性并非直接受功率級限制。

5.5 電壓紋波

在電機(jī)轉(zhuǎn)速1750rpm時測量電壓紋波，鋁質(zhì)直流母線電容器對紋波要求不高，若使用薄膜電容，需關(guān)注電壓紋波。文檔給出了不同模式下的電壓紋波百分比。

六、總結(jié)

英飛凌的這款48V BSG逆變器功率級參考設(shè)計，采用并聯(lián)TO - Leadless MOSFET，相電流可達(dá)500Arms， (V{DS}) 電壓尖峰低于70V，MOSFET最大溫度上升30°C，電流平衡良好。該設(shè)計在105°C液冷系統(tǒng)下滿足功率要求，具有可擴(kuò)展性，可通過選擇不同數(shù)量和 (R{DSon}) 的MOSFET適用于3 - 6相逆變器。對于電子工程師來說，這個參考設(shè)計提供了一個很好的范例，在實際設(shè)計中可以根據(jù)具體需求進(jìn)行靈活調(diào)整和優(yōu)化。你在設(shè)計類似的逆變器時，是否也會遇到類似的熱管理和電路優(yōu)化問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和想法。