探索FSAB20PH60：智能部分开关转换器功率模块

在电子工程师的设计世界里，寻找合适的功率模块是实现高效、可靠电路设计的关键。今天，我们将深入探讨Fairchild Semiconductor推出的FSAB20PH60智能功率模块，看看它在部分开关转换器应用中能带来哪些独特优势。

文件下载：FSAB20PH60.pdf

一、模块概述

FSAB20PH60是一款专为低功率应用设计的先进智能功率模块，尤其适用于空调等设备中的部分开关转换器（PSC）。它集成了优化的电路保护和与IGBT匹配的驱动IC，通过集成欠压锁定和短路保护功能，进一步提高了系统的可靠性。

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二、关键特性

2.1 低热阻设计

该模块采用DBC（直接键合铜）技术，具有极低的热阻，有助于提高散热效率，保证模块在高负载下稳定工作。

2.2 集成功能

• 整流与开关功能：集成了600V - 20A的单相整流桥二极管和两个用于部分开关转换器操作的IGBT，实现高效的AC - DC转换。
• 驱动与保护功能：内置用于IGBT的栅极驱动电路、短路保护（SC）、控制电源电路欠压（UV）保护等功能，同时具备故障信号输出，能及时反馈系统异常。
• 电流检测：采用分开的负直流母线端子，方便进行电流检测，为系统提供更精确的控制依据。
• 高隔离等级：隔离额定值为2500Vrms/min，确保模块在高压环境下的安全性。

三、引脚配置与功能

3.1 引脚说明

FSAB20PH60共有27个引脚，每个引脚都有特定的功能。例如，VCC为IC提供公共偏置电压，COM为公共电源地，IN(R)和IN(S)分别为R相和S相IGBT的信号输入引脚等。详细的引脚功能可参考文档中的引脚描述表格。

3.2 内部等效电路

模块的低侧由两个包含整流二极管的IGBT和一个具有栅极驱动、电流检测和保护功能的控制IC组成；高侧则由两个没有栅极驱动IC的整流二极管组成。这种设计使得模块在实现高效功率转换的同时，能提供可靠的保护机制。

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四、电气特性与额定参数

4.1 绝对最大额定值

• 转换器部分：输入电源电压（R - S间）最大为276V，浪涌电压可达500V；输出电压（P - N间）最大为400V，浪涌电压为500V；IGBT的集电极 - 发射极电压为600V；二极管的重复峰值反向电压为600V。在特定条件下，输入电流在100%负载时为11A RMS，130%负载时为14A RMS。模块的工作结温范围为 - 20 ~ 125°C。
• 控制部分：控制电源电压（VCC - COM间）最大为20V；输入信号电压（IN(R)、IN(S) - COM间）范围为 - 0.3 ~ VCC + 0.3V；故障输出电源电压（VFO - COM间）范围相同；故障输出电流最大为5mA；电流检测输入电压（CSC - COM间）范围为 - 0.3 ~ VCC + 0.3V。
• 总系统：模块外壳工作温度范围为 - 20 ~ 100°C，存储温度范围为 - 40 ~ 125°C，隔离电压为2500Vrms。

4.2 热阻特性

每个IGBT在工作条件下的结到外壳热阻最大为2.8°C/W，每个二极管的结到外壳热阻最大为2.6°C/W。

4.3 电气特性

在TJ = 25°C的条件下，主电路部分的集电极 - 发射极饱和电压典型值为2.1V，二极管正向电压典型值为1.1V；开关时间方面，开通时间典型值为0.48µs，关断时间典型值为0.56µs等。控制部分的静态VCC电源电流最大为23mA，故障输出电压在不同条件下有相应的取值，短路跳闸电平典型值为0.5V等。

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五、推荐工作条件

• 输入电源电压：R - S间的输入电源电压推荐范围为187 ~ 276Vrms。
• 输出电压：P - N间的输出电压推荐典型值为280V，最大为400V。
• 控制电源电压：VCC - COM间的控制电源电压推荐范围为13.5 ~ 16.5V。
• PWM输入信号：在TC ≤ 100°C、TJ ≤ 125°C的条件下，每个IGBT的PWM输入信号频率推荐为60Hz。

六、保护功能与时间图表

6.1 欠压保护

当控制电源电压上升到复位电平（UVCCR）后，电路在下次输入信号到来时开始工作。当检测到欠压（UVCCD）时，IGBT会关断，同时故障输出开始工作，直到电压恢复到复位电平，电路恢复正常工作。

6.2 过流保护

正常工作时，IGBT导通并承载电流。当检测到短路电流（SC触发）时，会对IGBT栅极进行硬中断，使IGBT关断，同时故障输出定时器开始工作，故障输出信号的脉冲宽度由外部电容CFO设定。在故障输出的有效期间，即使输入信号为高，IGBT也不会导通。

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七、应用电路与注意事项

7.1 应用电路

在应用电路设计中，使用20mΩ的电阻用于模块的RNR和NS到ND的切换，通过RSH保护内部IGBT免受过流影响。例如，若要将IGBT电流保护在25A以下，需合理选择保护电流水平，并考虑外部组件的变化和公差。

7.2 注意事项

• 为避免故障，每个输入的布线应尽可能短（小于2 - 3cm）。
• VFO输出为开集电极类型，需用约4.7kΩ电阻上拉到5V电源的正极。
• VFO输出脉冲宽度可通过在CFOD（引脚7）和COM（引脚2）之间连接外部电容来确定。
• 输入信号为高电平有效类型，IC内部有3.3kΩ下拉电阻，采用RC耦合电路时需确保输入信号符合关断/导通阈值电压。
• 为防止保护功能出错，RSC、RF和CSC周围的布线应尽可能短。
• 在过流保护电路中，应选择RF和CSC的时间常数在3 - 4µs范围内。
• 每个电容应尽可能靠近引脚安装。
• 在家电电气设备系统中使用继电器时，CPU和继电器之间应保持足够的距离。
• 内部NTC热敏电阻可用于监测外壳温度，防止设备过热，需根据应用选择合适的电阻RTH。
• 该PSC模块设计不允许在电流流经输入电抗器LAC时使内部IGBT导通，否则会产生大的反向恢复电流，导致IGBT开通开关损耗过大，可能损坏内部IGBT。

八、总结

FSAB20PH60智能功率模块凭借其集成化的设计、丰富的保护功能和良好的电气特性，为部分开关转换器应用提供了可靠的解决方案。在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求，合理选择工作条件，注意应用电路的设计和布线，以充分发挥该模块的优势。同时，对于模块的保护功能，要深入理解其工作原理，确保系统在各种情况下都能稳定、安全地运行。大家在使用FSAB20PH60模块时，有没有遇到过什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。