英飞凌48V BSG逆变器功率级参考设计解析

在当今的汽车电子领域，48V Belt-driven Starter Generator（BSG）系统对于提升发动机输出扭矩起着至关重要的作用。英飞凌推出的这款48V BSG逆变器功率级参考设计，为工程师们在设计相关逆变器时提供了宝贵的参考。下面我们就来详细解析一下这个设计。

文件下载：48VBSGINVERTERTOBO1.pdf

一、设计背景与目的

BSG系统在微混合动力汽车中作为电机使用，其逆变器需要紧凑地安装在电机底部，电源为DC 48V，峰值功率达12kW，输出电流高达400Arms，还会产生超过550W的功率损耗。该设计旨在帮助客户在设计48V BSG逆变器的初始阶段，提供主要组件及其功能的详细描述，方便客户根据自身需求复用和修改原始设计。

二、快速启动指南

2.1 系统框图

逆变器的框图中，红色矩形部分为功率级，包含MOSFET和直流母线电容组。四个MOSFET并联作为一个开关。

2.2 带散热器的系统

功率级可安装在目标电机后部，实验室测试时需安装在水冷或风冷散热器上，并使用导热膏。无散热器时5分钟内可处理小于5A的电流。散热器上需有3mm深的凹槽，用于容纳母线底部的电容器端子。

2.3 连接器

所有栅极驱动信号使用一个连接器，型号为Samtec的TFM110 - 22 - S - D - P，用户需使用Samtec SFSD - 10 - 28 - G作为对应连接器。文档详细给出了连接器的引脚分配。

2.4 电源端子

有5个电源端子，DC +和DC -连接48V电源，M8螺丝U、V、W连接三相电机。

三、设计特点

3.1 逆变器规格

逆变器规格描述了功率级的工作条件，目标电机为永磁同步电机（PMSM），最关键的规格是峰值相电流。具体参数包括不同模式下的直流母线电压、输出功率、峰值功率、相电流、开关频率等。

3.2 关键组件

3.2.1 母线和电容器

母线上焊接了十个铝电容器，可根据电机的最大反电动势选择不同型号。如电机最大反电动势低于80V，80V 820uF的电容器是更好的选择，具有更高的抗振性。

3.2.2 功率板

功率板采用绝缘金属基板（IMS）材料，铜层厚度为3oz（0.105mm），有助于处理400A - 500Arms的电流；铝基板厚度为2mm，可应对动态热行为。板上有四个M6螺丝和三个M8螺丝，分别连接电容器组和电机相。

3.2.3 TOLL & TOLG MOSFET

TO - Leadless（TOLL）是为高功率高可靠性应用优化的封装，尺寸小、电流能力强、热阻低，可实现更高的功率密度和可靠性。TO - Leaded with Gullwing geometry（TOLG）是TOLL的衍生产品，在铝芯IMS板上具有更好的热循环性能，其引脚布局与TOLL兼容。与常用的D2PAK或D2PAK 7Pin相比，TOLL和TOLG的占地面积更小，空间占用减少。同时，AEC - Q101合格的TOLL和TOLG MOSFET可用于汽车应用。

四、功能描述与设计实现

4.1 功率损耗计算

功率损耗分为MOSFET功率损耗（ (P{M}) ）和二极管功率损耗（ (P{D}) ）， (P{M}) 又分为传导损耗（ (P{CM}) ）和开关损耗（ (P{SWM}) ）， (P{D}) 分为传导损耗（ (P{CD}) ）和开关损耗（ (P{SWD}) ）。通过一系列公式计算不同相电流下每个MOSFET的功率损耗，为热估计提供依据。

4.2 热估计

4.2.1 冷却结构

MOSFET焊接在IMS板上，IMS板由铜层、介电层和铝层组成，通过导热膏安装在水冷散热器上。

4.2.2 温度上升估计

稳态温度上升可通过功率损耗乘以热阻来估计，总热阻估计为2K/W，在160Arms时，稳态温度上升约为10.76°C。

4.2.3 热模拟

在理想环境下进行热模拟，结果显示MOSFET的温度分布和热耦合情况。在不同相电流下，模拟和估计的结温上升情况不同，动态情况下需考虑一定的余量。

4.2.4 铜基IMS板热考虑

由于FR4和铝的热膨胀系数不同，铝基IMS基板上TOLL封装的焊料寿命较低。铜基IMS（CTE~17 ppm/K）与FR4效果相同，且铜的热导率比铝高70%，热存储容量比铝高40%，使用1.6mm铜层的性能略优于2mm铝层。

4.2.5 用于铝基IMS板的TOLG MOSFET

推荐使用TOLG封装的MOSFET用于铝基IMS板，在相同条件下，TOLG的性能比TOLL更好，这得益于其鸥翼型引脚的灵活性。

4.3 驱动IC和电路分析

由于MOSFET电阻低但栅极电荷高，四个并联的MOSFET总栅极电荷最大可达828nC，建议设计一个10mA的电荷泵电路用于高端开关。还提出了一种优化开关电路的方案，通过使用R1和肖特基二极管D1，可降低栅极峰值电流和关断电压阈值，且功率损耗基本不变。

4.4 原理图

文档给出了IMS板的原理图，每个MOSFET有单独的栅极电阻，四个并联的MOSFET有一个公共下拉电阻和公共齐纳二极管。还使用了100nF电容器作为缓冲电路，以及NTC电阻用于温度测量。

4.5 机械边界

功率级需安装在电机端部，设计有机械边界限制。电机直径为170mm，功率级直径为145mm，高度小于40mm。同时，功率级上方空间会被带有微控制器和驱动电路的控制板占用，组件布局需考虑控制板的位置。

4.6 杂散电感考虑

MOSFET高电流关断时，需分析 (V_{DS}) 尖峰以避免MOSFET雪崩。使用叠层母线可最小化母线的杂散电感，PCB布局的杂散电感可按微带线计算。通过公式计算可知，走线长度应尽可能短，宽度在大于10mm时对电感影响不大。

4.7 组件布置和布局

每个MOSFET有自己的栅极电阻，位于MOSFET左侧靠近栅极引脚，并联MOSFET间距约2mm，有助于解耦热效应。MOSFET围绕相输出端子布置，使电流和热分布均匀。连接器位于中间，通过跳线连接六个栅极和源极信号。

4.8 物料清单

文档给出了功率板的物料清单，包括电容器、二极管、MOSFET、电阻、NTC电阻、连接器和跳线等组件的型号和数量。

五、测量结果

5.1 X射线检查

检查24个MOSFET下方是否有气泡，气泡面积为40% - 50%，经计算会导致一定的温度上升，虽从质量角度不可接受，但可用于热评估和实验室测试。

5.2 开关行为

开关行为测试显示，570A关断时 (V{DS}) 峰值为65V（ (V{DC}) 为46V），电压尖峰为17V。

5.3 热分布

5.3.1 静态热分布

静态热测试对直流母线电容器至关重要。测试条件下，MOSFET通过液冷散热器良好冷却，达到稳态后温度上升约10°C，结温比壳温高几度，直流母线电容器温度可达40°C，需外部散热器处理连续工况下的热量。

5.3.2 动态热分布

进行了三项动态热测试，分别是400Arms电感负载实验室测试、40Nm负载台架测试和50Nm负载台架测试。测试结果显示，不同工况下MOSFET的壳温和结温上升情况不同，但都能满足要求，直流母线电容器在测试中温度较低，热存储容量足以应对动态热。

5.4 转矩 - 速度特性

逆变器加电机在测试台上可达到预期的转矩 - 速度特性，显示了BSG系统的能力，该特性并非直接受功率级限制。

5.5 电压纹波

在电机转速1750rpm时测量电压纹波，铝质直流母线电容器对纹波要求不高，若使用薄膜电容，需关注电压纹波。文档给出了不同模式下的电压纹波百分比。

六、总结

英飞凌的这款48V BSG逆变器功率级参考设计，采用并联TO - Leadless MOSFET，相电流可达500Arms， (V{DS}) 电压尖峰低于70V，MOSFET最大温度上升30°C，电流平衡良好。该设计在105°C液冷系统下满足功率要求，具有可扩展性，可通过选择不同数量和 (R{DSon}) 的MOSFET适用于3 - 6相逆变器。对于电子工程师来说，这个参考设计提供了一个很好的范例，在实际设计中可以根据具体需求进行灵活调整和优化。你在设计类似的逆变器时，是否也会遇到类似的热管理和电路优化问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和想法。