深入解析FSBB15CH60F Motion SPM® 3系列模块

在电子工程领域，逆变器模块是电机驱动和电源转换等应用中的关键组件。今天我们就来详细剖析一下Fairchild Semiconductor的FSBB15CH60F Motion SPM® 3系列模块，探讨它的特点、应用以及设计要点。

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一、模块概述

Fairchild Semiconductor的FSBB15CH60F Motion SPM® 3模块是一款高性能的逆变器输出级模块，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）设计。该模块集成了IGBT、栅极驱动器和多种保护功能，能有效减少电磁干扰（EMI）和损耗。随着Fairchild被ON Semiconductor收购，部分Fairchild的零件编号可能会发生变化，原编号中的下划线（_）将改为破折号（-），大家可以在ON Semiconductor的官网（www.onsemi.com）上核实更新后的器件编号。

二、模块特点

1. 认证与安全

该模块获得了UL认证（编号E209204，UL1557），具有2500 Vrms / min的隔离等级，能为系统提供可靠的电气隔离，保障使用安全。

2. 电气性能

• 电压与电流规格：具备600 V - 15 A的三相IGBT逆变器，可满足多种功率需求。
• 低损耗IGBT：采用低损耗、短路额定的IGBT，能有效降低功率损耗，提高系统效率。
• 热性能：使用(Al{2} O{3}) DBC基板，具有极低的热阻，有助于模块散热，保证在高功率运行时的稳定性。

3. 功能集成

• 内置保护：拥有内置的热关断功能、欠压锁定（UVLO）、过流关断和故障报告等保护特性，能有效保护模块和系统免受损坏。
• 简化设计：专用的Vs引脚简化了PCB布局，独立的低侧IGBT开集电极引脚方便进行三相电流检测，且只需单个接地电源，降低了设计复杂度。

三、应用领域

FSBB15CH60F Motion SPM® 3模块主要应用于运动控制领域，如家用电器和工业电机的驱动。在这些应用中，模块的高性能和可靠性能够确保电机的稳定运行，提高设备的整体性能。

四、技术参数

1. 绝对最大额定值

• 逆变器部分：
  • 电源电压（V PN）：正常工作时为450 V，浪涌时可达500 V。
  • 集电极 - 发射极电压（V CES）：600 V。
  • 每个IGBT集电极电流（± I C）：在(T_{C} = 25°C)时为15 A，峰值电流（± I CP）在1ms脉冲宽度下可达30 A。
  • 集电极耗散功率（P C）：在(T_{C} = 25°C)时，每个芯片为50 W。
  • 工作结温（T J）：范围为 -20 ~ 125°C。
• 控制部分：
  • 控制电源电压（V CC）：20 V。
  • 高端控制偏置电压（V BS）：20 V。
  • 输入信号电压（V IN）：范围为 -0.3 ~ 17 V。
  • 故障输出电源电压（V FO）：范围为 -0.3 ~ V CC +0.3 V。
  • 故障输出电流（I FO）：5 mA。
  • 电流传感输入电压（V SC）：范围为 -0.3 ~ V CC +0.3 V。
• 总系统：
  • 自保护电源电压极限（V PN(PROT)）：在特定条件下为400 V。
  • 模块外壳工作温度（T C）：范围为 -20 ~ 100°C。
  • 存储温度（T STG）：范围为 -40 ~ 125°C。
  • 隔离电压（V ISO）：2500 Vrms。

2. 热阻参数

• 逆变器IGBT部分（R th(j-c)Q）：最大为2.02 °C/W。
• 逆变器FWD部分（R th(j-c)F）：最大为3.15 °C/W。

3. 电气特性

• 逆变器部分：
  • 集电极 - 发射极饱和电压（V CE(SAT)）：在特定条件下最大为2.3 V。
  • 开关时间：包括开通时间（t ON）、关断时间（t OFF）等，不同条件下有不同的典型值。
  • 集电极 - 发射极泄漏电流（I CES）：最大为250 μA。
• 控制部分：
  • 静态V CC电源电流（I QCCL）：最大为23 mA。
  • 静态V BS电源电流（I QBS）：最大为500 μA。
  • 故障输出电压（V FOH、V FOL）：分别有不同的典型值。
  • 短路电流跳闸电平（V SC(ref)）：范围为0.45 ~ 0.55 V。
  • 过温保护（TSD）：温度范围为125 ~ 175°C。
  • 欠压保护检测和复位电平（UV CCD、UV CCR、UV BSD、UV BSR）：有各自的范围。
  • 故障输出脉冲宽度（t FOD）：取决于外部电容(C_{FOD})的值。
  • 输入信号阈值电压（V IN(ON)、V IN(OFF)）：分别为3.0 V和0.8 V。

4. 推荐工作条件

• 电源电压（V PN）：推荐范围为300 ~ 400 V。
• 控制电源电压（V CC）：推荐范围为13.5 ~ 16.5 V。
• 高端偏置电压（V BS）：推荐范围为13.0 ~ 18.5 V。
• 控制电源变化率（dV CC / dt, dV BS / dt）：范围为 -1 ~ 1 V / μs。
• 消隐时间（t dead）：为2.0 μs。
• PWM输入信号频率（f PWM）：最大为20 kHz。
• 电流传感电压（V SEN）：范围为 -4 ~ 4 V。

五、引脚配置与功能

FSBB15CH60F模块共有27个引脚，每个引脚都有特定的功能，如电源引脚、信号输入引脚、故障输出引脚等。详细的引脚描述如下：	Pin Number	Pin Name	Pin Description
1	V CC(L)	低侧IC和IGBT驱动的公共偏置电压
2	COM	公共电源地
3	IN (UL)	低侧U相信号输入
4	IN (VL)	低侧V相信号输入
5	IN (WL)	低侧W相信号输入
6	V FO	故障输出
7	C FOD	故障输出持续时间选择电容
8	C SC	短路电流检测输入电容（低通滤波器）
9	IN (UH)	高侧U相信号输入
10	V CC(UH)	高侧U相IC偏置电压
11	V B(U)	高侧U相IGBT驱动偏置电压
12	V S(U)	高侧U相IGBT驱动偏置电压地
13	IN (VH)	高侧V相信号输入
14	V CC(VH)	高侧V相IC偏置电压
15	V B(V)	高侧V相IGBT驱动偏置电压
16	V S(V)	高侧V相IGBT驱动偏置电压地
17	IN (WH)	高侧W相信号输入
18	V CC(WH)	高侧W相IC偏置电压
19	V B(W)	高侧W相IGBT驱动偏置电压
20	V S(W)	高侧W相IGBT驱动偏置电压地
21	N U	U相负直流母线输入
22	N V	V相负直流母线输入
23	N W	W相负直流母线输入
24	U	U相输出
25	V	V相输出
26	W	W相输出
27	P	正直流母线输入

六、保护功能与时间图表

1. 欠压保护

• 低侧欠压保护：当控制电源电压上升超过(UVCCR)时，电路开始工作；当检测到欠压（(UVCCD)）时，IGBT关断，故障输出开始工作；当电压恢复到(UVCCR)时，电路恢复正常。
• 高侧欠压保护：当控制电源电压达到(UV _{BSR})时，电路开始工作；检测到欠压（(UV BSD)）时，IGBT关断，但无故障输出信号；电压恢复到(UV BSR)时，电路恢复正常。

2. 短路保护

短路保护仅在低侧起作用。当检测到短路电流时，IGBT硬关断，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(C_{FOD})设置。在故障输出有效期间，即使输入为高电平，IGBT也不会导通。

七、设计建议

1. 接口电路

推荐使用如图9所示的MCU I/O接口电路，注意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。逻辑输入可与标准CMOS或LSTTL输出配合使用。

2. 自举电路

建议使用具有软恢复和快速恢复特性的自举二极管(DBS)，自举电阻(R{BS})应是(R{E(H)})的三倍，推荐(R_{EIH})的值为5.6 Ω，最大可增加到20 Ω以降低高侧的dv/dt。(VCC) - COM之间的陶瓷电容应大于1 μF，并尽可能靠近模块引脚安装。

3. 典型应用电路

在设计典型应用电路时，要注意以下几点：

• 每个输入的布线应尽可能短（小于2 - 3 cm），以避免故障。
• 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。
• (VFO)输出为开集电极类型，应通过约4.7 kΩ的电阻上拉到5 V电源的正极。
• (C_{SP15})应约为自举电容(CBS)的七倍。
• (VFO)输出脉冲宽度由外部电容(C_{FOD})决定，可根据公式计算。
• 输入信号为高电平有效，IC内部有3.3 kΩ的下拉电阻，使用RC耦合电路时，要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，(R_{F})和(CSC)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。
• 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。
• 在使用继电器的系统中，MCU和继电器之间应保持足够的距离。
• (C_{SPC 15})应大于1 μF，并尽可能靠近模块引脚安装。

八、总结

FSBB15CH60F Motion SPM® 3系列模块凭借其高性能、集成度高和丰富的保护功能，在运动控制领域具有广泛的应用前景。电子工程师在设计时，应充分了解模块的技术参数和特点，结合实际应用需求，合理选择电路参数和布局，以确保系统的稳定性和可靠性。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。