FNA41560/FNA41560B2 Motion SPM® 45系列模块：特性、应用与设计要点

一、引言

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。FNA41560/FNA41560B2 Motion SPM® 45系列模块作为一款高性能的逆变器输出级模块，为交流感应、无刷直流（BLDC）和永磁同步（PMSM）电机提供了强大的支持。本文将详细介绍该模块的特性、应用以及设计过程中的关键要点。

文件下载：FNA41560.pdf

二、模块概述

2.1 基本信息

FNA41560/FNA41560B2属于Motion SPM® 45系列模块，提供了功能齐全、高性能的逆变器输出级。它集成了优化的内置IGBT栅极驱动，可最大程度减少电磁干扰（EMI）和损耗，同时具备多种模块级保护功能，如欠压锁定、过流关断、热监测和故障报告等。

2.2 关键特性

• UL认证：UL认证编号为E209204（UL1557），确保了模块的安全性和可靠性。
• 高电压大电流：具备600 V - 15 A的三相IGBT逆变器，集成了栅极驱动器和保护功能。
• 低热阻：采用陶瓷基板，有效降低热阻，提高散热性能。
• 低损耗IGBT：使用低损耗、短路额定的IGBT，减少能量损耗。
• 简化布局：内置自举二极管和专用Vs引脚，简化了PCB布局。
• 温度监测：内置NTC热敏电阻，可实时监测温度。
• 电流传感：低侧IGBT具有独立的开放发射极引脚，用于三相电流传感。
• 单接地电源：采用单接地电源，简化电源设计。
• 优化开关频率：针对5 kHz开关频率进行了优化。
• 隔离额定值：隔离额定值为2000 Vrms / min，提供良好的电气隔离。

三、应用领域

该模块主要应用于运动控制领域，特别是家用和工业电机控制。例如，在洗衣机、空调等家电设备中，以及工业自动化的电机驱动系统中，都可以发挥其高性能和可靠性的优势。

四、相关资源

为了帮助工程师更好地使用该模块，提供了一系列相关资源，包括：

• 用户指南：AN - 9070《Motion SPM® 45系列用户指南》，详细介绍了模块的使用方法和操作要点。
• 热性能信息：AN - 9071《Motion SPM® 45系列热性能信息》，有助于工程师了解模块的热特性，进行合理的散热设计。
• 安装指南：AN - 9072《Motion SPM® 45系列安装指南》，指导工程师正确安装模块。
• 参考设计：RD - 344（三分流解决方案）和RD - 345（一分流解决方案），为工程师提供了实际的设计参考。

五、模块详细参数

5.1 绝对最大额定值

• 逆变器部分：
  • 电源电压（V PN）：450 V（正常），500 V（浪涌）。
  • 集电极 - 发射极电压（V CES）：600 V。
  • 每个IGBT集电极电流（±I C）：15 A（T C = 25°C，T J < 150°C）。
  • 每个IGBT集电极峰值电流（±I CP）：30 A（T C = 25°C，T J < 150°C，1 ms脉冲宽度）。
  • 集电极耗散功率（P C）：41 W（T C = 25°C per Chip）。
  • 工作结温（T J）：- 40 ~ 150°C。
• 控制部分：
  • 控制电源电压（V CC）：20 V。
  • 高侧控制偏置电压（V BS）：20 V。
  • 输入信号电压（V IN）：-0.3 ~ V CC + 0.3 V。
  • 故障输出电源电压（V FO）：-0.3 ~ V CC + 0.3 V。
  • 故障输出电流（I FO）：1 mA。
  • 电流传感输入电压（V SC）：-0.3 ~ V CC + 0.3 V。
• 自举二极管部分：
  • 最大重复反向电压（V RRM）：600 V。
  • 正向电流（I F）：0.50 A（T C = 25°C，T J < 150°C）。
  • 正向峰值电流（I FP）：1.50 A（T C = 25°C，T J < 150°C，1 ms脉冲宽度）。
  • 工作结温（T J）：-40 ~ 150°C。
• 总系统：
  • 自保护电源电压极限（V PN(PROT)）：400 V（V CC = V BS = 13.5 ~ 16.5 V，T J = 150°C，非重复，< 2 μs）。
  • 存储温度（T STG）：-40 ~ 125°C。
  • 隔离电压（V ISO）：2000 V rms（60 Hz，正弦波，交流1分钟，引脚连接到散热板）。

5.2 电气特性

• 逆变器部分：
  • 集电极 - 发射极饱和电压（V CE(SAT)）：典型值1.8 V，最大值2.3 V（V CC = V BS = 15 V，V IN = 5 V，I C = 15 A，T J = 25°C）。
  • 开关时间：包括开通时间（t ON）、关断时间（t OFF）等，具体数值根据不同条件有所不同。
  • 集电极 - 发射极泄漏电流（I CES）：最大值1 mA（V CE = V CES）。
• 控制部分：
  • 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）、工作V BS电源电流（I PBS）等，具体数值根据不同条件而定。
  • 故障输出电压（V FOH、V FOL）、短路电流跳闸电平（V SC(ref)）、欠压保护检测和复位电平（UV CCD、UV CCR、UV BSD、UV BSR）等。
  • 故障输出脉冲宽度（t FOD）、输入阈值电压（V IN(ON)、V IN(OFF)）、热敏电阻电阻值（R TH）等。
• 自举二极管部分：
  • 正向电压（V F）：典型值2.5 V（I F = 0.1 A，T C = 25°C）。
  • 反向恢复时间（t rr）：典型值80 ns（I F = 0.1 A，T C = 25°C）。

5.3 推荐工作条件

• 电源电压（V PN）：300 ~ 400 V。
• 控制电源电压（V CC）：13.5 ~ 16.5 V。
• 高侧偏置电压（V BS）：13.0 ~ 18.5 V。
• 控制电源变化率（dV CC / dt，dV BS / dt）：-1 ~ 1 V / μs。
• 消隐时间（t dead）：1.5 μs。
• PWM输入信号频率（f PWM）：最大20 kHz（- 40°C < T J < 150°C）。
• 电流传感电压（V SEN）：-4 ~ 4 V。
• 最小输入脉冲宽度（P WIN(ON)、P WIN(OFF)）：0.5 μs。

六、引脚配置与描述

模块具有26个引脚，每个引脚都有特定的功能，如热敏电阻偏置电压（V TH）、热敏电阻串联电阻（R TH）、正直流母线输入（P）、各相输出（U、V、W）、各相负直流母线输入（N U、N V、N W）、短路电流检测输入电容（C SC）、故障输出（V FO）、各相信号输入（IN (WL)、IN (VL)、IN (UL)、IN (WH)、IN (VH)、IN (UH)）、公共电源地（COM）、低侧和高侧公共偏置电压（V CC(L)、V CC(H)）、高侧偏置电压地和偏置电压（V S(W)、V B(W)、V S(V)、V B(V)、V S(U)、V B(U)）等。

七、保护功能时间图表

7.1 欠压保护

• 低侧欠压保护：当控制电源电压上升到UV CCR后，电路在下次输入时开始工作；当检测到欠压（UV CCD）时，IGBT关断，故障输出开始工作；当欠压复位（UV CCR）后，恢复正常工作。
• 高侧欠压保护：当控制电源电压达到UV BSR后，电路在下次输入时开始工作；当检测到欠压（UV BSD）时，IGBT关断，但无故障输出信号；当欠压复位（UV BSR）后，恢复正常工作。

7.2 短路保护

短路保护仅在低侧工作。当检测到短路电流（SC触发）时，IGBT硬关断，故障输出信号有效，在故障输出有效期间，即使输入为高电平，IGBT也不会导通。

八、输入/输出接口电路与典型应用电路设计要点

8.1 输入/输出接口电路

• 每个输入的RC耦合可能会根据应用中的PWM控制方案和印刷电路板的布线阻抗而变化。
• 模块输入信号部分集成了5 kΩ（典型值）下拉电阻，使用外部滤波电阻时需注意输入端子的信号电压降。

8.2 典型应用电路

• 为避免故障，每个输入的布线应尽可能短（小于2 - 3 cm）。
• 由于模块内部集成了特定类型的HVIC，可直接与MCU端子耦合，无需光耦或变压器隔离。
• V FO输出为开漏类型，需用电阻上拉到MCU或控制电源的正极，使I FO达到1 mA。
• CSF15建议为自举电容C BS的约七倍。
• 输入信号为高电平有效，IC内部有5 kΩ电阻将每个输入信号线下拉到地，建议使用RC耦合电路防止输入信号振荡，R S C PS时间常数应在50 ~ 150 ns范围内，推荐R S = 100 Ω，C PS = 1 nF。
• 为防止保护功能出错，R F和C SC周围的布线应尽可能短。
• 短路保护电路中，R F C SC时间常数应在1.5 ~ 2 μs范围内。
• 控制地和电源地（包括N U、N V、N W）应仅在一点连接。
• 每个电容应尽可能靠近模块引脚安装。
• 为防止浪涌破坏，平滑电容与P和GND引脚之间的布线应尽可能短，建议在P和GND引脚之间使用约0.1 ~ 0.22 μF的高频无感电容。
• 在家电设备中，MCU和继电器之间应保持足够的距离。
• 应采用齐纳二极管或瞬态电压抑制器保护IC免受浪涌破坏，推荐使用22 V / 1 W的齐纳二极管。
• C BS应选择温度特性良好的电解电容，Gasc应选择0.1 ~ 0.2 μF的R类陶瓷电容，具有良好的温度和频率特性。

九、机械特性与安装要点

9.1 机械特性

• 器件平面度：0 ~ + 120 μm。
• 安装扭矩：M3安装螺丝推荐扭矩为0.7 N • m（0.6 ~ 0.8 N • m），或7.1 kg • cm（6.2 ~ 8.1 kg • cm）。
• 重量：约11.00 g。

9.2 安装要点

• 安装螺丝时不要过度拧紧，过大的扭矩可能导致陶瓷开裂、螺栓和铝散热片损坏。
• 避免单边拧紧应力，应按照推荐的扭矩顺序安装螺丝，不均匀的安装可能会损坏SPM® 45封装的陶瓷基板，预拧紧扭矩设置为最大扭矩额定值的20 ~ 30%。

十、总结

FNA41560/FNA41560B2 Motion SPM® 45系列模块以其丰富的功能、高性能和良好的可靠性，为电机控制应用提供了理想的解决方案。在设计过程中，工程师需要充分了解模块的各项参数和特性，合理进行电路设计和布局，注意安装要点，以确保模块的正常运行和系统的稳定性。同时，参考相关的用户指南和参考设计，能够更快地完成设计任务，提高设计效率。大家在实际应用中是否遇到过类似模块的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。