深入剖析FSBS15CH60F Motion SPM® 3系列模块

一、引言

在电子工程师的日常设计工作中，一款性能优良且功能丰富的功率模块往往能起到事半功倍的效果。今天我们就来深入探讨FSBS15CH60F Motion SPM® 3系列模块，它在电机驱动等领域有着广泛的应用，让我们一起来揭开它的神秘面纱。

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二、模块简介

FSBS15CH60F是一款Motion SPM® 3模块，主要为交流感应、无刷直流（BLDC）和永磁同步（PMSM）电机提供全功能、高性能的逆变器输出级。它集成了内置IGBT的优化栅极驱动，能有效降低电磁干扰（EMI）和损耗，同时具备多种模块级保护功能，如欠压锁定、过流关断和故障报告等。

（一）特性亮点

1. 认证与基本参数：获得UL认证（编号E209204，UL1557），具备600V - 15A的三相IGBT逆变器，集成栅极驱动器和保护功能。
2. 保护功能：内置热关断功能，当模块温度过高时能自动关断，保护设备安全；低损耗、短路额定IGBTs，可有效应对短路等异常情况。
3. 散热设计：采用陶瓷基板，具有较低的热阻，有助于模块更好地散热，保证其稳定运行。
4. 布局优势：专用的Vs引脚简化了PCB布局，同时低侧IGBT的独立开路发射极引脚可用于三相电流检测。
5. 电源特性：采用单接地电源，隔离额定值为2500Vrms / min，为模块提供稳定的电源和良好的电气隔离。

（二）应用领域

主要应用于运动控制领域，如家用电器和工业电机。在日常生活中的各类家电设备，以及工业生产中的电机驱动系统，都能看到它的身影。大家可以思考一下，在实际应用中，它的这些特性是如何满足不同场景需求的呢？

三、技术细节分析

（一）集成功能

1. 功率转换：具备600V - 15A的IGBT逆变器，可实现三相直流/交流电源转换。
2. 驱动与保护：
   • 对于逆变器高侧IGBT，有栅极驱动电路、高压隔离高速电平转换控制电路和欠压锁定保护（UVLO）。
   • 对于逆变器低侧IGBT，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）和短路故障。
   • 输入接口为高电平有效接口，可与3.3V / 5V逻辑配合，采用施密特触发器输入。

（二）引脚配置与描述

该模块共有27个引脚，每个引脚都有其特定的功能，以下是部分关键引脚的介绍：	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相的信号输入
6	V FO	故障输出
9	IN (UH)	高侧U相的信号输入
24	U	U相输出
27	P	正直流母线输入

（三）绝对最大额定值

1. 逆变器部分

Symbol	Parameter	Conditions	Rating	Unit
VPN	电源电压（P - NU, NV, NW之间）		450	V
VPN(Surge)	电源浪涌电压（P - NU, NV, NW之间）		500	V
VCES	集电极 - 发射极电压		600	V
± IC	每个IGBT集电极电流（TC = 25°C）		15	A
± ICP	每个IGBT集电极峰值电流（TC = 25°C，1ms脉冲宽度）		30	A
PC	集电极耗散（TC = 25°C per Chip）		32	W
TJ	工作结温		-20 ~ 125	°C

2. 控制部分

Symbol	Parameter	Conditions	Rating	Unit
VCC	控制电源电压（VCC(UH), VCC(VH), VCC(WH), VCC(L) - COM之间）		20	V
VBS	高侧控制偏置电压（VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V), VB(W) - VS(W)之间）		20	V
VIN	输入信号电压（IN(UH), IN(VH), IN(WH), IN(UL), IN(VL), IN(WL) - COM之间）		-0.3 ~ 17	V
VFO	故障输出电源电压（VFO - COM之间）		-0.3 ~ VCC + 0.3	V
IFO	故障输出电流（VFO引脚的灌电流）		5	mA
VSC	电流传感输入电压（C SC - COM之间）		-0.3 ~ VCC + 0.3	V

3. 系统整体

Symbol	Parameter	Conditions	Rating	Unit
VPN(PROT)	自保护电源电压限制	VCC = VBS = 13.5 ~ 16.5 V，TJ = 125°C，非重复，< 2 μs	400	V
TC	模块外壳工作温度	-20°C ≤ TJ ≤ 125°C	-20 ~ 100	°C
TSTG	存储温度		-40 ~ 125	°C
VISO	隔离电压	60 Hz，正弦交流，1分钟，引脚连接到散热板	2500	Vrms

（四）电气特性

1. 逆变器部分

在 (T_{J}=25^{circ} C) 条件下，部分电气特性如下：	Symbol	Parameter	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
V CE(SAT)	集电极 - 发射极饱和电压	V CC = V BS = 15 V，V IN = 5 V，I C = 15 A，T J = 25°C	-	-	2.3	V
V F	开关时间（FWDi正向电压）	V IN = 0 V，I C = 15 A，T J = 25°C	-	-	2.1	V
t ON（HS）	开通时间	V PN = 300 V，V CC = V BS = 15 V，I C = 15 A，V IN = 0 V  5 V，感性负载	-	0.4	-	μs
t OFF（HS）	关断时间		-	0.67	-	μs

2. 控制部分

Symbol	Parameter	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
I QCCL	静态V CC电源电流	V CC = 15 V，IN (UL, VL, WL) = 0 V，V CC(L) - COM	-	-	23	mA
I QCCH		V CC = 15 V，IN (UH, VH, WH) = 0 V，V CC(UH), V CC(VH), V CC(WH) - COM	-	-	100	μA
V FOH	故障输出电压	V SC = 0 V，V FO电路：4.7 kΩ 上拉到5 V	4.5	-	-	V
V FOL		V SC = 1 V，V FO电路：4.7 kΩ 上拉到5 V	-	-	0.8	V

（五）推荐工作条件

Symbol	Parameter	Conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
V PN	电源电压（P - N U, N V, N W之间）		-	300	400	V
V CC	控制电源电压（V CC(UH), V CC(VH), V CC(WH), V CC(L) - COM之间）		13.5	15	16.5	V
V BS	高侧偏置电压（V B(U) - V S(U), V B(V) - V S(V), V B(W) - V S(W)之间）		13.0	15	18.5	V
dV CC / dt, dV BS / dt	控制电源变化率		-1	-	1	V / μs
t dead	防止桥臂短路的消隐时间	每个输入信号	2.0	-	-	μs
f PWM	PWM输入信号	-20°C ≤ T C ≤ 100°C，-20°C ≤ T J ≤ 125°C	-	-	20	kHz
V SEN	电流传感电压（N U, N V, N W - COM之间，包括浪涌电压）		-4		4	V

四、保护功能时间图表分析

（一）欠压保护

1. 低侧欠压保护

当控制电源电压上升到 (UVCCR) 后，电路在下次输入信号到来时开始工作。正常工作时IGBT导通并承载电流，当检测到欠压（ (UVCCD) ）时，IGBT会关断，故障输出开始工作，直到欠压复位（ (UVCCR) ）后，IGBT再次导通并恢复正常工作。

2. 高侧欠压保护

控制电源电压达到 (UV _{BSR}) 后，电路在下次输入信号到来时开始工作。正常工作时IGBT导通并承载电流，检测到欠压（ (UV BSD) ）时，IGBT关断，但无故障输出信号，欠压复位（ (UV BSR) ）后恢复正常。

（二）短路保护（仅低侧工作）

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，会进行硬IGBT栅极中断，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设置。在故障输出有效期间，即使输入为高电平，IGBT也不会导通。

五、应用电路设计注意事项

（一）输入接线

为避免故障，每个输入的接线应尽可能短（小于2 - 3 cm）。

（二）接口方式

由于Motion SPM 3产品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。

（三）故障输出

(VFO) 输出为开集电极类型，该信号线应通过约4.7 kΩ电阻上拉到5V电源正极。

（四）电容选择与布局

(C SP15) 建议为自举电容 (CBS) 的约七倍，且每个电容应尽可能靠近Motion SPM 3产品的引脚安装。

（五）保护电路

为防止保护功能出错， (R{F}) 和 (CSC) 周围的布线应尽可能短，在短路保护电路中， (R{F} C_{SC}) 时间常数应选择在1.5 ~ 2 μs范围内。

六、总结

FSBS15CH60F Motion SPM® 3系列模块以其丰富的功能、优良的性能和完善的保护机制，为电机驱动等应用提供了可靠的解决方案。电子工程师在设计过程中，需要充分了解其各项特性和参数，合理进行电路设计和布局，以确保模块能发挥最佳性能。同时，在实际应用中，还需根据具体情况对模块的参数进行验证和调整，以满足不同的设计需求。大家在使用这款模块的过程中，有没有遇到过什么问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享。