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使用智能功率模块实现车载电气控制系统

上网日期: 2015年11月06日 ?? 作者: Matt Tyler ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:智能功率模块? 电机控制? 无刷直流电机?

日益严格的燃油能效法规和人们对环境影响日益增加的担忧,意味着车内机械系统正由电气替代品所取代。这支持提供更高程度的能效和工作性能。例如,直流电机的使用在车载控制系统(除主电机外)的设计中越来越普遍,以便减轻汽车总重量,从而提高燃油经济性。就动力转向系统而言,从液压驱动系统变为电气系统,可提高3%-5%的燃油能效水平。

对车载系统,无刷直流(BLDC)电机正看到更广泛的激增,因为它们提供较有刷和换向器的传统直流电机高得多的可靠性。BLDC电机不仅被整合至汽车电动助力转向系统(EPS)中,还被整合至水泵、油泵、燃油泵、散热风扇、暖通空调(HVAC)、座椅风扇等。

车载电机控制的要求及考虑因素

车载电机控制电路的关键要求是高温工作。在150℃的环境温度(Ta)和170℃的结温(Tj)下的工作能力是极其重要的。整个控制电路在严苛环境中的高可靠性也是需要的。需要使用的分立元件越多,线路板就必须越大,随着焊接工作量越来越多,在可靠性降低和重量增加的同时,也在采取减少发热和总成本的措施时造成困难。降低噪声如电磁干扰(EMI)也很重要。

如已概述的,BLDC电机在能效、可维护性、使用时间和安全方面优于有刷电机,但也有更重和更高成本的缺点(因为BLDC电机包含外部控制电路,需要更大的安装空间)。因此,在要充分利用BLDC电机优势的同时又要减小系统总尺寸和重量、降低成本、增强可靠性、减少发热、降低噪声时存在挑战。

智能功率模块用于车载装置

集成先进的功率半导体和外围元件是减小尺寸和重量的一种非常有效的方法,以解决当指定BLDC电机用于车载应用时所面临的问题。不同技术和不同形状的半导体元件贴装在绝缘基板上并电性连接。这种集成有多种形式:从由多个功率器件(如功率MOSFET和IGBT)组成的简单的功率模块,到整合功率器件、驱动电路(预驱动器)、保护电路等等的智能功率模块(IPM)。

通常有两种用于电源模块基板的材料。这些都是适用于大功率的陶瓷基材料和金属基材料(如铝)。由于陶瓷基板与金属片相连(如铜和铝),大型基板的加工是困难的并有所局限性,而集成可实现。金属基绝缘金属基板技术(IMST)成为解决这问题的方法。IMST是减小尺寸和重量的一种有效方法,将不同结构的半导体元件及无源器件和其它部分集成到单个模块中。IMST结构通过使用绝缘层覆盖铝片,将铜箔置于顶层,并在铜箔上蚀刻,使单层布线图案能被自由定制。铝线用作晶体管或IC/LSI裸芯片和铜箔图案之间的电性连接(即超声波粘合)。较厚的铜箔图案用于大电流应用,较薄的图案用于小电流。铝线的直径基于流经的额定电流和使用这些导线的目的(例如是用作跳线还是接地线)。当低热电阻优先时绝缘层做得更薄一些,当高压重要时绝缘层做得更厚一些。因为基板是铝, 导热性和导电性本质上是很高的。这支持处理大量电力,并提供电磁屏蔽效用。

使用智能功率模块实现车载电气控制系统(电子工程专辑)
图1. IMST横截面

一般的IPM贴装其组成元件到单独的电路板,由于这结构是点和线互联的框架,无法在这框架内实现多个功能。但是使用IMST结构,电路搭建在电路板上,可轻易实现多个功能。

使用智能功率模块实现车载电气控制系统(电子工程专辑)
图2.IMST和典型的IPM结构比较

关于电源模块或IPM,许多功率半导体厂商生产相应的目标应用的产品,功率MOSFET/贴装的分立元件数或基础线路板不是一律固定不变的。

第二页:用于车载系统的3相BL DC电机方案的比较

第三页:基于IMST的IPM的其它好处


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