深入解析 onsemi Motion SPM 45 系列 FNB43060T2 模块

引言

在电机控制领域，一款性能卓越且功能丰富的逆变器输出级模块对于提升电机系统的性能至关重要。onsemi 的 Motion SPM 45 系列 FNB43060T2 模块就是这样一款备受瞩目的产品。本文将详细剖析该模块的特点、功能、参数以及应用注意事项，为电子工程师在设计相关系统时提供全面的参考。

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产品概述

FNB43060T2 是一款先进的 Motion SPM 45 模块，专为交流感应电机（AC Induction）、无刷直流电机（BLDC）和永磁同步电机（PMSM）提供功能齐全、高性能的逆变器输出级。该模块集成了内置 IGBT 的优化栅极驱动，可最大限度减少电磁干扰（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、驱动 IC 的热监测和故障报告等。其内置的高速高压集成电路（HVIC）仅需单电源电压，就能将输入的逻辑电平栅极输入转换为驱动模块内部 IGBT 所需的高压、大电流驱动信号。此外，每个相位都有独立的负 IGBT 端子，以支持最广泛的控制算法。

产品特点

认证与基本参数

• UL 认证：获得 UL 认证（编号 E209204，UL1557），具备 600 V - 30 A 的三相 IGBT 逆变器，集成栅极驱动器和保护功能。
• 低热阻设计：采用陶瓷基板，有效降低热阻，提高散热性能。

内部器件优势

• 低损耗 IGBT：内置低损耗、短路额定的 IGBT，减少能量损耗，提高系统效率。
• 自举二极管与专用引脚：内置自举二极管和专用的 Vs 引脚，简化 PCB 布局。
• 温度监测：内置 NTC 热敏电阻，可实时监测温度，确保系统在安全温度范围内运行。
• 三相电流检测：低侧 IGBT 有独立的开集电极引脚，便于进行三相电流检测。

电源与隔离特性

• 单接地电源：采用单接地电源设计，简化电源电路。
• 高隔离等级：隔离额定值为 2000 Vrms / min，提供良好的电气隔离，保障系统安全。

引脚配置与功能

引脚描述

FNB43060T2 模块共有 26 个引脚，每个引脚都有特定的功能，如下表所示：	Pin Number	Pin Name	Pin Description
1	V TH	热敏电阻偏置电压
2	R TH	用于热敏电阻（温度检测）的串联电阻
3	P	正直流母线输入
4	U	U 相输出
5	V	V 相输出
6	W	W 相输出
7	N U	U 相负直流母线输入
8	N V	V 相负直流母线输入
9	N W	W 相负直流母线输入
10	C SC	短路电流检测输入的关断输入
11	V FO	故障输出
12	IN (WL)	低侧 W 相信号输入
13	IN (VL)	低侧 V 相信号输入
14	IN (UL)	低侧 U 相信号输入
15	COM	公共电源地
16	V DD(L)	用于 IC 和 IGBT 驱动的低侧公共偏置电压
17	V DD(H)	用于 IC 和 IGBT 驱动的高侧公共偏置电压
18	IN (WH)	高侧 W 相信号输入
19	IN (VH)	高侧 V 相信号输入
20	IN (UH)	高侧 U 相信号输入
21	V S(W)	用于 W 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压地
22	V B(W)	用于 W 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压
23	V S(V)	用于 V 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压地
24	V B(V)	用于 V 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压
25	V S(U)	用于 U 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压地
26	V B(U)	用于 U 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压

内部等效电路

逆变器的高侧由三个 IGBT、续流二极管和每个 IGBT 对应的一个控制 IC 组成；低侧同样由三个 IGBT、续流二极管和每个 IGBT 对应的一个控制 IC 组成，具备栅极驱动和保护功能；电源侧由四个逆变器直流母线输入端子和三个逆变器输出端子组成。

电气参数

绝对最大额定值

在不同的工作条件下，模块有相应的绝对最大额定值，例如：

• 逆变器部分：VPN 为 450 V，VPN(Surge) 为 500 V，每个 IGBT 集电极电流在特定条件下有相应限制，工作结温范围为 -40 ~ 150°C。
• 控制部分：控制电源电压 V DD 为 20 V，高侧控制偏置电压 V BS 为 20 V 等。
• 自举二极管部分：最大重复反向电压为 600 V 等。

电气特性

在特定测试条件下（$T{J}=25^{circ} C$），模块具有特定的电气特性，如开关时间、集电极 - 发射极泄漏电流等。例如，开关时间在特定条件下有具体的数值，$t{ON}$ 和 $t_{OFF}$ 包括内部驱动 IC 的传播延迟。

保护功能

欠压保护

• 低侧欠压保护：当控制电源电压上升到 $UVDDR$ 后，电路在下次输入时开始工作；检测到欠压（$UV DDD$）时，IGBT 关断，故障输出以固定脉冲宽度启动；欠压复位（$UV V_{D D R}$）后，IGBT 在下次信号从低到高触发时恢复正常工作。
• 高侧欠压保护：控制电源电压达到 $UV _{BSR}$ 后，电路在下次输入时开始工作；检测到欠压（$UV BSD$）时，IGBT 关断，但无故障输出信号；欠压复位（$UVBSR$）后，IGBT 在下次信号从低到高触发时恢复正常工作。

短路保护（仅低侧操作）

正常运行时 IGBT 导通并承载电流；检测到短路电流（SC 触发）时，所有低侧 IGBT 的栅极被硬中断，IGBT 关断，故障输出以固定脉冲宽度启动；在故障输出有效期间，即使输入为高，IGBT 也不会导通；故障输出结束后，IGBT 在下次信号从低到高触发时恢复正常工作。

应用电路与注意事项

推荐的 MCU I/O 接口电路

输入信号部分集成了 5 k（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。RC 耦合会根据应用中的 PWM 控制方案和印刷电路板的布线阻抗而变化。

典型应用电路

• 布线要求：为避免故障，每个输入的布线应尽可能短（小于 2 - 3 cm）；$R{F}$ 和 $C{SC}$ 周围的布线应尽可能短，以防止保护功能出错；控制地和电源地的连接应仅在一点连接，且布线距离应尽可能短。
• 电容选择：每个电容应尽可能靠近 Motion SPM 45 产品的引脚安装；推荐使用高频无感电容（约 0.1 - 0.22 μF）连接在 P 和 GND 引脚之间，以防止浪涌破坏；CBS 应选择温度特性良好的电解电容，$C_{BSC}$ 应选择具有良好温度和频率特性的 0.1 - 0.2 μF R 类陶瓷电容。
• 信号处理：$VFO$ 输出为开漏类型，信号线路应通过电阻上拉到 MCU 或控制电源的正极，使 $IFO$ 达到 1 mA；输入信号为高电平有效类型，IC 内部有 5 k 电阻将每个输入信号线拉到地，推荐使用 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 $R{S}=100 Omega$，$C{PS}=1 nF$）。
• 其他注意事项：继电器与 MCU 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；在短路保护电路中，$R{F} C{SC}$ 时间常数应在 1.5 - 2 s 范围内，并在实际系统中进行充分评估。

总结

FNB43060T2 模块凭借其丰富的功能、良好的性能和完善的保护机制，为电机控制应用提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计过程中，需要充分了解模块的特点和参数，严格遵循应用电路的注意事项，以确保系统的稳定性和可靠性。在实际应用中，你是否遇到过类似模块在保护功能方面的问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。