FSBB20CH60 Motion SPM® 3 系列模块：设计与应用指南

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电机驱动系统至关重要。FSBB20CH60 Motion SPM® 3 系列模块作为一款集成化的功率模块，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。本文将深入剖析该模块的特点、应用、电气特性以及使用注意事项，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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二、模块概述

2.1 特点

• UL 认证：获得 UL 认证（编号 E209204，UL1557），确保产品符合安全标准。
• 高电压大电流：具备 600 V - 20 A 的三相 IGBT 逆变器，集成了栅极驱动器和保护功能。
• 低损耗 IGBT：采用低损耗、短路额定的 IGBT，有效降低功耗。
• 低热阻设计：使用 (Al{2} O{3}) DBC 基板，具有极低的热阻，利于散热。
• 简化 PCB 布局：专用的 Vs 引脚简化了 PCB 布局，同时为三相电流检测提供了独立的低侧 IGBT 开集电极引脚。
• 单接地电源：仅需单接地电源，降低了电源设计的复杂度。
• 高隔离等级：隔离额定值为 2500 Vrms / min，保障了电气安全。

2.2 应用领域

主要应用于运动控制领域，包括家用电器和工业电机等。在这些应用中，该模块能够为电机提供高效、稳定的驱动。

2.3 相关资源

可参考 AN - 9035 - Motion SPM 3 系列 Ver.2 用户指南，获取更详细的使用信息。

三、模块功能分析

3.1 集成功率功能

该模块实现了 600 V - 20 A 的 IGBT 逆变器，用于三相直流 / 交流功率转换，为电机提供合适的电源。

3.2 集成驱动、保护和系统控制功能

• 高侧 IGBT：配备栅极驱动电路、高压隔离高速电平转换控制电路以及欠压锁定保护（UVLO）。
• 低侧 IGBT：具有栅极驱动电路、短路保护（SCP）控制电源电路和欠压锁定保护（UVLO）。同时，具备故障信号功能，对应 UVLO（低侧电源）和 SC 故障。
• 输入接口：采用有源高电平接口，可与 3.3 / 5 V 逻辑配合，具备施密特触发输入。

四、引脚配置与说明

引脚编号	引脚名称	引脚描述
1	V CC(L)	用于 IC 和 IGBT 驱动的低侧公共偏置电压
2	COM	公共电源接地
3	IN (UL)	低侧 U 相的信号输入
4	IN (VL)	低侧 V 相的信号输入
5	IN (WL)	低侧 W 相的信号输入
6	V FO	故障输出
7	C FOD	用于故障输出持续时间选择的电容
8	C SC	用于短路电流检测输入的电容（低通滤波器）
9	IN (UH)	高侧 U 相的信号输入
10	V CC(UH)	U 相 IC 的高侧偏置电压
11	V B(U)	U 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压
12	V S(U)	U 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压接地
13	IN (VH)	高侧 V 相的信号输入
14	V CC(VH)	V 相 IC 的高侧偏置电压
15	V B(V)	V 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压
16	V S(V)	V 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压接地
17	IN (WH)	高侧 W 相的信号输入
18	V CC(WH)	W 相 IC 的高侧偏置电压
19	V B(W)	W 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压
20	V S(W)	W 相 IGBT 驱动的高侧偏置电压接地
21	N U	U 相的负直流母线输入
22	N V	V 相的负直流母线输入
23	N W	W 相的负直流母线输入
24	U	U 相的输出
25	V	V 相的输出
26	W	W 相的输出
27	P	正直流母线输入

五、电气特性

5.1 绝对最大额定值

在 (T_{J}=25^{circ} C) （除非另有说明）的条件下，该模块的绝对最大额定值如下：

• 逆变器部分：
  • 电源电压 (V{PN}) ：450 V；浪涌电源电压 (V{PN(Surge)}) ：500 V。
  • 集电极 - 发射极电压 (V_{CES}) ：600 V。
  • 每个 IGBT 集电极电流 (±I{C}) （(T{C} = 25°C) ）：20 A；峰值集电极电流 (±I{CP}) （(T{C} = 25°C) ，1ms 脉冲宽度）：40 A。
  • 集电极耗散功率 (P{C}) （(T{C} = 25°C) 每芯片）：61 W。
  • 工作结温 (T_{J}) ： - 20 ~ 125 °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 ~ 17 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}) ：5 mA。
  • 电流传感输入电压 (V{SC}) ： - 0.3 ~ (V{CC} + 0.3) V。
• 总系统：
  • 自保护电源电压极限 (V{PN(PROT)}) （(V{CC} = V{BS} = 13.5 ~ 16.5 V) ，(T{J} = 125°C) ，非重复，< 2 μs）：400 V。
  • 模块外壳工作温度 (T_{C}) ： - 20 ~ 100 °C。
  • 存储温度 (T_{STG}) ： - 40 ~ 125 °C。
  • 隔离电压 (V_{ISO}) ：2500 Vrms。

5.2 电气特性

在 (T_{J}=25^{circ} C) （除非另有说明）的条件下，该模块的电气特性如下：

• 逆变器部分：
  • 集电极 - 发射极饱和电压 (V{CE(SAT)}) （(V{CC} = V{BS} = 15 V) ，(V{IN} = 5 V) ，(I{C} = 20 A) ，(T{J} = 25°C) ）：最大 2.3 V。
  • 开关时间：包括开通时间 (t{ON}) 、关断时间 (t{OFF}) 等，不同侧的开关时间有所差异。
  • 集电极 - 发射极泄漏电流 (I{CES}) （(V{CE} = V_{CES}) ）：最大 250 μA。
• 控制部分：
  • 静态 (V{CC}) 电源电流 (I{QCCL}) （(V_{CC} = 15 V) ，(IN (UL, VL, WL) = 0 V) ）：最大 23 mA。
  • 静态 (V{CC}) 电源电流 (I{QCCH}) （(V_{CC} = 15 V) ，(IN (UH, VH, WH) = 0 V) ）：最大 100 μA。
  • 静态 (V{BS}) 电源电流 (I{QBS}) （(V_{BS} = 15 V) ，(IN (UH, VH, WH) = 0 V) ）：最大 500 μA。
  • 故障输出电压 (V{FOH}) （(V{SC} = 0 V) ，(V_{FO}) 电路：4.7 kΩ 上拉至 5 V）：4.5 V。
  • 故障输出电压 (V{FOL}) （(V{SC} = 1 V) ，(V_{FO}) 电路：4.7 kΩ 上拉至 5 V）：最大 0.8 V。
  • 短路电流跳闸电平 (V{SC(ref)}) （(V{CC} = 15 V) ）：0.45 ~ 0.55 V。
  • 电源电路欠压保护检测电平 (UV{CCD}) ：10.7 ~ 13.0 V；复位电平 (UV{CCR}) ：11.2 ~ 13.2 V。
  • 高侧偏置电压欠压保护检测电平 (UV{BSD}) ：10.1 ~ 12.5 V；复位电平 (UV{BSR}) ：10.5 ~ 12.9 V。
  • 故障输出脉冲宽度 (t{FOD}) （(C{FOD} = 33 nF) ）：1.0 ~ 1.8 ms。
  • 导通阈值电压 (V{IN(ON)}) ：3.0 V；关断阈值电压 (V{IN(OFF)}) ：0.8 V。

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 ~ 18.5 V。
• 控制电源变化率 (dV{CC} / dt) ，(dV{BS} / dt) ： - 1 ~ 1 V / μs。
• 防止桥臂短路的消隐时间 (t_{dead}) ：2.5 μs。
• PWM 输入信号频率 (f_{PWM}) ：最大 20 kHz。
• 电流传感电压 (V_{SEN}) ： - 4 ~ 4 V。

六、机械特性和额定值

• 安装扭矩：推荐 0.62 N•m，范围为 0.51 ~ 0.72 N•m。
• 器件平整度：最大 + 120 μm。
• 重量：约 15.00 g。

七、保护功能时间图

7.1 欠压保护

• 低侧：当控制电源电压上升超过 (UV{CCR}) 时，电路在下次输入信号到来时开始工作；当检测到欠压（(UV{CCD}) ）时，IGBT 关断，故障输出开始工作；当电压恢复到 (UV_{CCR}) 时，电路恢复正常。
• 高侧：当控制电源电压达到 (UV{BSR}) 时，电路在下次输入信号到来时开始工作；当检测到欠压（(UV{BSD}) ）时，IGBT 关断，但无故障输出信号；当电压恢复到 (UV_{BSR}) 时，电路恢复正常。

7.2 短路保护（仅低侧工作）

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。

八、应用电路设计注意事项

8.1 输入接口电路

• 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。
• 逻辑输入可与标准 CMOS 或 LSTTL 输出配合使用。

8.2 自举操作电路

• 自举二极管 (D_{BS}) 应具有软恢复和快速恢复特性。
• 自举电阻 (R{BS}) 应是 (R{E(H)}) 的三倍，(R_{E(H)}) 推荐值为 5.6 Ω，最大可增加到 20 Ω。
• (V_{CC}) - 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。

8.3 典型应用电路

• 各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。
• (V_{FO}) 输出为开集电极类型，应通过约 4.7 kΩ 电阻上拉至 5 V 电源正极。
• (C{SP15}) 应约为自举电容 (C{BS}) 的七倍。
• (V{FO}) 输出脉冲宽度由外部电容 (C{FOD}) 决定。
• 输入信号为有源高电平类型，IC 内部有 3.3 kΩ 下拉电阻。
• 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。
• 各电容应尽可能靠近模块引脚安装。
• 为防止浪涌损坏，平滑电容与 P 和 GND 引脚之间的布线应尽可能短，推荐在 P 和 GND 引脚之间使用 0.1 ~ 0.22 μF 的高频无感电容。
• 在家用电器的电气设备系统中，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。

九、总结

FSBB20CH60 Motion SPM® 3 系列模块凭借其集成化的设计、丰富的保护功能和良好的电气性能，为电机驱动系统提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计相关系统时，应充分考虑模块的特点和要求，合理选择工作条件和设计应用电路，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，在使用过程中，要严格遵循模块的使用说明和注意事项，避免因不当操作导致模块损坏或系统故障。你在实际应用中是否遇到过类似模块的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。