FNA21012A 1200V Motion SPM® 2系列模块深度解析

一、前言

在电子工程领域，功率模块的性能和可靠性对于各类应用至关重要。FNA21012A作为一款1200V Motion SPM® 2系列模块，为交流感应、无刷直流（BLDC）和永磁同步（PMSM）电机提供了高性能的逆变器输出级解决方案。本文将对该模块进行全面解析，帮助工程师更好地了解和应用这款产品。

文件下载：FNA21012A.pdf

二、产品整合背景

Fairchild Semiconductor已被ON Semiconductor整合，部分Fairchild可订购的零件编号需要更改，以满足ON Semiconductor的系统要求。由于ON Semiconductor产品管理系统无法处理带有下划线（_）的零件命名，Fairchild零件编号中的下划线将改为破折号（-）。大家可通过ON Semiconductor网站验证更新后的设备编号。

三、FNA21012A模块特性

3.1 基本特性

• UL认证：UL认证编号为E209204（UL1557），这为产品的安全性和可靠性提供了有力保障。
• 功率规格：具备1200V - 10A的三相IGBT逆变器，包含用于栅极驱动和保护的控制IC。
• 低损耗与短路额定IGBT：采用低损耗、短路额定的IGBT，能有效降低能量损耗，提高系统效率。
• 低热阻设计：使用(Al{2} O{3}) DBC基板，具有极低的热阻，有助于散热，保证模块在高温环境下稳定工作。
• 内置元件简化设计：内置自举二极管和专用的Vs引脚，简化了PCB布局；分离的低侧IGBT开放发射极引脚，可用于三相电流检测。
• 单接地电源支持：支持单接地电源，降低了电源设计的复杂度。
• 温度监测与管理：内置NTC热敏电阻，可实时监测和管理温度。
• 过流保护可调：通过集成的检测IGBT实现可调的过流保护。
• 高隔离等级：隔离等级为2500Vrms / 1min，提供了良好的电气隔离性能。

3.2 应用领域

主要应用于工业电机（AC 400V类）的运动控制，能够满足此类应用对电机控制的高性能要求。

四、功能集成

4.1 功率转换功能

提供1200V - 10A的IGBT逆变器，用于三相直流/交流功率转换，实现高效的电能转换。

4.2 驱动、保护与系统控制功能

4.2.1 高侧IGBT

• 栅极驱动与控制电路：具备栅极驱动电路、高压隔离高速电平转换控制电路。
• 欠压锁定保护（UVLO）：有效防止因电压过低导致的系统故障。
• 自举电路：自举电路可参考图5和图15中的示例。

  4.2.2 低侧IGBT

• 栅极驱动与保护电路：包含栅极驱动电路、短路保护（SCP）控制电路和欠压锁定保护（UVLO）。
• 故障信号：对应低侧电源欠压（UV）和短路（SC）故障，可及时反馈系统异常。
• 输入接口：采用有源高电平接口，可与3.3 / 5V逻辑配合，具有施密特触发输入，增强了信号的抗干扰能力。

五、引脚配置与描述

5.1 引脚配置

模块共有34个引脚，涵盖了电源输入、输出、控制信号输入、故障输出等多种功能引脚。具体引脚配置可参考文档中的图2。

5.2 引脚描述

引脚编号	引脚名称	引脚描述
1	P	正直流母线输入
2	W	W相输出
3	V	V相输出
4	U	U相输出
5	N W	W相负直流母线输入
6	N V	V相负直流母线输入
7	N U	U相负直流母线输入
8	R TH	热敏电阻串联电阻（温度检测）
9	V TH	热敏电阻偏置电压
10	V CC(L)	低侧IC和IGBT驱动偏置电压
11	COM (L)	低侧公共电源地
12	IN (UL)	低侧U相信号输入
13	IN (VL)	低侧V相信号输入
14	IN (WL)	低侧W相信号输入
15	V FO	故障输出
16	C FOD	故障输出持续时间选择电容
17	C SC	短路电流检测输入电容（低通滤波器）
18	R SC	短路电流检测电阻
19	IN (UH)	高侧U相信号输入
20	COM (H)	高侧公共电源地
21	V CC(UH)	高侧U相IC偏置电压
22	V BD(U)	U相高侧自举电路自举二极管阳极
23	V B(U)	高侧U相IGBT驱动偏置电压
24	V S(U)	高侧U相IGBT驱动偏置电压地
25	IN (VH)	高侧V相信号输入
26	V CC(VH)	高侧V相IC偏置电压
27	V BD(V)	V相高侧自举电路自举二极管阳极
28	V B(V)	高侧V相IGBT驱动偏置电压
29	V S(V)	高侧V相IGBT驱动偏置电压地
30	IN (WH)	高侧W相信号输入
31	V CC(WH)	高侧W相IC偏置电压
32	V BD(W)	W相高侧自举电路自举二极管阳极
33	V B(W)	高侧W相IGBT驱动偏置电压
34	V S(W)	高侧W相IGBT驱动偏置电压地

六、电气特性

6.1 绝对最大额定值

6.1.1 逆变器部分

• 电源电压：正常工作时，P - N U、N V、N W之间的电源电压（V PN）最大为900V，浪涌电压（V PN(Surge)）最大为1000V。
• 集电极 - 发射极电压：IGBT的集电极 - 发射极电压（V CES）最大为1200V。
• 集电极电流：每个IGBT的集电极电流（± I C）在(T{C} = 25°C)，(T{J} ≤ 150°C)时为10A，峰值电流（± I CP）在1ms脉冲宽度下为20A。
• 集电极耗散：单个芯片的集电极耗散（P C）在(T_{C} = 25°C)时为93W。
• 工作结温：工作结温（(T_{J})）范围为 - 40 ~ 150°C。

  6.1.2 控制部分

• 控制电源电压：控制电源电压（V CC）在V CC(H)、V CC(L) - COM之间最大为20V。
• 高侧控制偏置电压：高侧控制偏置电压（V BS）在V B(U) - V S(U)、V B(V) - V S(V)、V B(W) - V S(W)之间最大为20V。
• 输入信号电压：输入信号电压（V IN）在IN (UH)、IN (VH)、IN (WH)、IN (UL)、IN (VL)、IN (WL) - COM之间范围为 - 0.3 ~ V CC + 0.3V。
• 故障输出电源电压：故障输出电源电压（V FO）在V FO - COM之间范围为 - 0.3 ~ V CC + 0.3V。
• 故障输出电流：故障输出电流（I FO）在V FO引脚的灌电流最大为2mA。
• 电流传感输入电压：电流传感输入电压（V SC）在C SC - COM之间范围为 - 0.3 ~ V CC + 0.3V。

  6.1.3 自举二极管部分

• 最大重复反向电压：自举二极管的最大重复反向电压（V RRM）为1200V。
• 正向电流：正向电流（I F）在(T{C} = 25°C)，(T{J} ≤ 150°C)时为1.0A，峰值正向电流（I FP）在1ms脉冲宽度下为2.0A。
• 工作结温：工作结温（(T_{J})）范围为 - 40 ~ 150°C。

  6.1.4 总系统

• 自保护电源电压极限：自保护电源电压极限（V PN(PROT)）在V CC = V BS = 13.5 ~ 16.5V，(T_{J} = 150°C)，非重复，< 2ms时为800V。
• 模块外壳工作温度：模块外壳工作温度（(T_{C})）范围为 - 40 ~ 125°C。
• 存储温度：存储温度（(T_{STG})）范围为 - 40 ~ 125°C。
• 隔离电压：隔离电压（V ISO）在60Hz正弦交流下，连接引脚到散热板1分钟为2500Vrms。

6.2 电气特性参数

6.2.1 逆变器部分

• 集电极 - 发射极饱和电压：在V CC = V BS = 15V，V IN = 5V，I C = 10A，(T_{J} = 25°C)时，集电极 - 发射极饱和电压（V CE(SAT)）典型值为2.20V，最大值为2.80V。
• 开关时间：包括开通时间（t ON）、导通时间（t C(ON)）、关断时间（t OFF）、关断导通时间（t C(OFF)）和反向恢复时间（t rr）等参数，不同侧（高侧HS和低侧LS）的开关时间有所不同。
• 集电极 - 发射极漏电流：集电极 - 发射极漏电流（I CES）在V CE = V CES时最大为5mA。

  6.2.2 自举二极管部分

• 正向电压：在I F = 1.0A，(T_{J} = 25°C)时，正向电压（V F）典型值为2.2V。
• 反向恢复时间：在I F = 1.0A，dI F / dt = 50A / μs，(T_{J} = 25°C)时，反向恢复时间（t rr）典型值为80ns。

  6.2.3 控制部分

• 静态和工作电源电流：包括静态V CC电源电流（I QCCH、I QCCL）、工作V CC电源电流（I PCCH、I PCCL）、静态V BS电源电流（I QBS）和工作V BS电源电流（I PBS）等参数。
• 故障输出电压：故障输出电压（V FOH、V FOL）根据不同的输入条件有不同的值。
• 检测电流：每个检测IGBT的检测电流（I SEN）在V CC = 15V，V IN = 5V，R SC = 0Ω，N U、V、W端子无分流电阻连接，I C = 10A时为7mA。
• 短路跳闸电平：短路跳闸电平（V SC(ref)）在V CC = 15V时，范围为0.43 ~ 0.57V。
• 欠压保护检测和复位电平：包括电源电路欠压保护的检测电平（UV CCD）和复位电平（UV CCR），高侧控制偏置电压的检测电平（UV BSD）和复位电平（UV BSR）。
• 故障输出脉冲宽度：故障输出脉冲宽度（t FOD）可通过连接到(C_{FOD})端子的电容进行调整。
• 输入阈值电压：输入信号的导通阈值电压（V IN(ON)）和关断阈值电压（V IN(OFF)）分别为2.6V和0.8V。
• 热敏电阻电阻值：热敏电阻在(T{TH} = 25°C)时电阻值为47kΩ，在(T{TH} = 100°C)时为2.9kΩ。

七、推荐工作条件

7.1 电源电压

电源电压（V PN）在P - N U、N V、N W之间的推荐范围为300 ~ 800V，典型值为600V。

7.2 控制电源电压

控制电源电压（V CC）在V CC(UH, VH, WH) - COM (H)、V CC(L) - COM (L)之间的推荐范围为13.5 ~ 16.5V，典型值为15.0V。

7.3 高侧偏置电压

高侧偏置电压（V BS）在V B(U) - V S(U)、V B(V) - V S(V)、V B(W) - V S(W)之间的推荐范围为13.0 ~ 18.5V，典型值为15.0V。

7.4 控制电源变化率

控制电源变化率（dV CC / dt, dV BS / dt）范围为 - 1 ~ 1V / μs。

7.5 消隐时间

防止臂短路的消隐时间（t dead）每个输入信号推荐为2.0μs。

7.6 PWM输入信号

PWM输入信号（f PWM）在 - 40°C ≤ (T{C}) ≤ 125°C， - 40°C ≤ (T{J}) ≤ 150°C时，最大为20kHz。

7.7 电流传感电压

电流传感电压（V SEN）在N U、N V、N W - COM (H, L)（包括浪涌电压）之间的范围为 - 5 ~ 5V。

7.8 最小输入脉冲宽度

最小输入脉冲宽度（PW IN(ON)、PW IN(OFF)）在I C ≤ 20A，N U、V、W与直流母线N之间的布线电感 < 10nH时推荐为1.5μs。

7.9 结温

结温（(T_{J})）范围为 - 40 ~ 150°C。

八、机械特性与额定值

8.1 器件平整度

器件平整度可参考图9，其最小值为0.9mm，最大值为1.5mm。

8.2 安装扭矩

安装螺丝为M4时，推荐安装扭矩为1.0N • m（或10.1kg • cm），范围为9.1 ~ 15.1kg • cm。安装时需注意不要过度扭矩，避免DBC裂缝以及螺栓和铝散热片损坏，同时要避免单边拧紧应力，可参考图10的推荐扭矩顺序。

8.3 端子拉力和弯曲强度

端子拉力强度在负载19.6N时，持续时间为10s；端子弯曲强度在负载9.8N，90度弯曲时，次数为2次。

8.4 重量

模块重量约为50g。

九、保护功能时间图表

9.1 欠压保护

9.1.1 低侧欠压保护

当控制电源电压上升超过(UV {CCR})后，电路在下次输入信号到来时开始工作。正常工作时IGBT导通并承载电流，当检测到欠压（(UV {CCD})）时，IGBT无论控制输入条件如何都将关断，故障输出以固定脉冲宽度开始工作，直到欠压复位（(UV _{CCR})），再次接收到从低到高的信号时，IGBT恢复正常导通。

9.1.2 高侧欠压保护

当控制电源电压达到(UV {BSR})后，电路在下次输入信号到来时开始工作。正常工作时IGBT导通并承载电流，当检测到欠压（(UV {BSD})）时，IGBT关断，但无故障输出信号，直到欠压复位（(UV _{BSR})），再次接收到从低到高的信号时，IGBT恢复正常