ROHM BM63967S-VA/VC：高性能电机控制逆变器IPM的全面解析

在电机控制领域，IGBT智能功率模块（IPM）扮演着至关重要的角色。ROHM的BM63967S-VA和BM63967S-VC就是这样两款出色的产品，它们专为高速开关驱动而设计，适用于多种电机控制应用。今天，我们就来深入了解一下这两款IPM的特点、性能和应用。

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产品概述

BM63967S-VA和BM63967S-VC是由栅极驱动器、自举二极管、IGBT和续流二极管组成的智能功率模块。它们具备三相DC/AC逆变器功能，耐压600V，电流可达30A，低侧IGBT采用开放发射极设计，内置自举二极管，适用于AC100 - 240Vrms（直流电压小于400V）类电机的高速开关驱动，如洗衣机、风扇等电机。

产品特性

驱动电路设计

• 高侧IGBT驱动（HVIC）：采用SOI（绝缘体上硅）工艺，具备高压电平转换功能，内置自举二极管和电流限制功能，无需外部自举二极管和电阻即可驱动高侧IGBT。同时，还具有浮动控制电源欠压锁定（UVLO）功能，确保在电源电压异常时能及时保护模块。
• 低侧IGBT驱动（LVIC）：具备短路电流保护（SCP）和控制电源欠压锁定（UVLO）功能，当保护电路工作时会输出报警信号（FO）。此外，LVIC还能检测自身温度，并将温度转换为模拟电压通过VOT引脚输出。

电气特性优势

• 低导通损耗：IGBT集电极 - 发射极饱和电压 (V_{CESAT}) 典型值为1.7V，续流二极管正向电压 (V_F) 典型值为1.5V，有效降低了功率损耗。
• 快速开关特性：IGBT的开关时间短，如高侧IGBT导通延迟时间 (t{onH}) 典型值为0.95µs，关断延迟时间 (t{offH}) 典型值为1.40µs，提高了系统的效率和响应速度。

关键参数

绝对最大额定值

项目	符号	额定值	单位	条件
逆变器部分
电源电压	(V_P)	450	V	施加于P - NU、NV、NW之间
电源电压（浪涌）	(V_{P(surge)})	500	V	施加于P - NU、NV、NW之间
集电极 - 发射极电压	(V_{CES})	600	V
集电极电流（DC）	(I_C)	±30	A	(T_C = 25°C)
集电极电流（峰值）	(I_{CP})	±60	A	(T_C = 25°C)，小于1ms
集电极功耗	(P_C)	59	W	(T_C = 25°C)，每1芯片
结温	(T_{jmax})	150	°C
控制部分
控制电源	(V_{CC})	20	V	施加于HVCC - GND、LVCC - GND之间
浮动控制电源	(V_{BS})	20	V	施加于VBU - U、VBV - V、VBW - W之间
控制输入电压	(V_{IN})	-0.5 to (V_{CC}+0.5)	V	施加于HINX、LINX - GND（X = U、V、W）
故障输出电源电压	(V_{FO})	-0.5 to (V_{CC}+0.5)	V	施加于FO - GND
故障输出电流	(I_{FO})	1	mA	FO引脚的灌电流
电流检测输入电压	(V_{CIN})	-0.5 to +7.0	V	施加于CIN - GND
温度输出电压	(V_{OT})	-0.5 to +7.0	V	施加于VOT - GND
自举二极管部分
反向电压	(V_{RB})	600	V
结温	(T_{jmaxD})	150	°C
系统整体
自保护电源电压（SCP能力）	(V_{P(PROT)})	400	V	(V_{CC}=13.5 to 16.5V)，逆变器部分 (T_j = 125°C)，非重复，小于2µs
模块外壳温度	(T_C)	-25 to +100	°C	(T_C)测量点如图2所示
存储温度	(T_{stg})	-40 to +125	°C
隔离电压	(V_{iso})	1500	(V_{rms})	正弦波，60Hz，交流1分钟，所有引脚与散热板之间

推荐工作条件

项目	符号	最小值	典型值	最大值	单位	条件
电源电压	(V_P)	0	300	400	V	施加于P - NU、NV、NW之间
控制电源	(V_{CC})	13.5	15.0	16.5	V	施加于HVCC - GND、LVCC - GND之间
浮动控制电源	(V_{BS})	13.0	15.0	18.5	V	施加于VBU - U、VBV - V、VBW - W之间
控制电源变化率	(Delta V{CC}Delta V{BS})	-1	-	+1	V/µs
控制输入电压	(V_{IN})	0	-	5.5	V
电流检测输入电压	(V_{CIN})	0	-	5.5	V
防止桥臂短路的消隐时间	(t_{dead})	1.5	-	-	µs	每个输入信号
PWM输入频率	(f_{PWM})	-	-	20	kHz	(T_C ≤ 100°C)，(T_j ≤ 125°C)
高侧IGBT最小输入脉冲宽度	(PW_{ONH})	0.8	-	-	µs
	(PW_{OFFH})	0.8	-	-	µs
低侧IGBT最小输入脉冲宽度	(PW_{ONL})	2.5	-	-	µs
	(PW_{OFFL})	0.8	-	-	µs
GND - NU、NV、NW之间的电压变化	(V_N)	-5	-	+5	V	GND - NU、NV、NW之间（包括浪涌电压）
结温	(T_j)	-25	-	+125	°C

引脚配置与功能

引脚编号	引脚名称	功能
1	NC	无连接（GND电位）
2	VBU	U相浮动控制电源
3	VBV	V相浮动控制电源
4	VBW	W相浮动控制电源
5	HINU	U相高侧IGBT控制
6	HINV	V相高侧IGBT控制
7	HINW	W相高侧IGBT控制
8	HVCC	HVIC控制电源
9	GND	接地（注意1）
10	LINU	U相低侧IGBT控制
11	LINV	V相低侧IGBT控制
12	LINW	W相低侧IGBT控制
13	LVCC	LVIC控制电源
14	FO	报警输出
15	CIN	短路电流跳闸电压检测
16	GND	接地（注意1）
17	VOT	温度输出
18	NW	W相低侧IGBT发射极
19	NV	V相低侧IGBT发射极
20	NU	U相低侧IGBT发射极
21	W	W相输出
22	V	V相输出
23	U	U相输出
24	P	逆变器电源
25	NC	无连接（注意2）

注意1：两个GND引脚（9和16引脚）在IPM内部相连，建议将16引脚连接到外部15V电源的GND，另一个引脚悬空。 注意2：NC引脚（25引脚）在内部不与任何其他电位电气连接。

应用电路与外部元件选择

应用电路

文档中给出了典型应用电路，采用单分流电阻驱动方式。在实际应用中，需要根据具体需求进行合理的电路设计和元件选择。

外部元件选择

• VBU、VBV、VBW引脚：应尽可能靠近引脚安装旁路电容（电解电容C1：22µF - 100µF）和陶瓷电容（C2：0.1µF - 0.22µF），以防止开关噪声和电源纹波导致的故障或损坏。同时，在每对控制电源引脚之间安装1W的齐纳二极管D1，防止浪涌破坏。
• HVCC、LVCC引脚：同样需要安装旁路电容和陶瓷电容，以及齐纳二极管，以保证电源的稳定性。
• P引脚：为防止浪涌破坏，平滑电容与P、N引脚之间的布线应尽可能短，并在P - N引脚之间安装缓冲电容（C4：0.1µF - 0.22µF）。
• 控制输入引脚（HINU、HINV、HINW、LINU、LINV、LINW）：布线应尽可能短，以防止故障。输入驱动为高电平有效类型，IPM输入电路中有3.3kΩ（最小）下拉电阻。使用RC耦合电路时，要确保输入信号电平满足输入阈值电压。输入信号的死区时间应大于规定值。
• FO引脚：FO输出为开漏类型，应通过电阻上拉到控制电源（如5V、15V），使 (I_{FO}) 达到1mA。例如，上拉到5V时，推荐 (R1 = 10kΩ)。
• CIN引脚：应尽可能靠近引脚安装RC滤波器（R2、C5），推荐选择公差小、温度补偿型的元件。设置时间常数 (R2C5) 为1.0µs - 2.0µs，确保SCP电流在2µs内关断。
• VOT引脚：在低于室温时，推荐插入5.1kΩ下拉电阻以获得线性输出特性。使用低电压控制器（如3.3V MCU）时，可能需要插入钳位二极管或使用电阻分压器电路，以防止过压。
• GND引脚：两个GND引脚在内部相连，推荐将16引脚连接到外部15V电源的GND，另一个引脚悬空。控制GND和电源GND应仅在一点（靠近分流电阻引脚）连接，以防止电源GND波动导致的故障。
• NU、NV、NW引脚：单分流电阻驱动时，应将三个引脚短接，布线应尽可能短。

保护功能与时序

短路电流保护（SCP）

SCP仅对低侧IGBT有效。当检测到短路电流时，推荐设置RC时间常数为1.0 - 2.0µs，使IGBT在2.0µs内关断。故障发生时，所有低侧IGBT的栅极关闭（软关断），FO输出至少20µs的故障信号。在SCP信号为高时，所有IGBT保持关断，直到输入下一个导通信号。

控制电源欠压锁定（UVLO）

• LVCC欠压锁定：当LVCC电压低于UVLO跳闸电平（(V{CCUVT})）时，所有低侧IGBT关断，FO输出故障信号。当LVCC电压恢复到UVLO释放电平（(V{CCUVR})）后，需要输入下一个导通信号才能使IGBT重新导通。
• VBS欠压锁定：当VBS电压低于UVLO跳闸电平（(V{BSUVT})）时，相应相的IGBT关断，无FO信号输出。当VBS电压恢复到UVLO释放电平（(V{BSUVR})）后，需要输入下一个导通信号才能使IGBT重新导通。

机械特性与安装注意事项

机械特性

项目	最小值	典型值	最大值	单位	遵循标准	条件
安装扭矩	0.59	0.69	0.78	N·m	-	M3安装螺钉（注意1），推荐0.69N·m（注意2）
引脚拉力	10	-	-	s	EIAJ - ED - 4701/400	控制引脚负载：4.9N，电源引脚负载：9.8N
引脚弯曲强度	2	-	-	次	EIAJ - ED - 4701/400	控制引脚负载：2.45N，电源引脚负载：4.9N，90°弯曲
重量	-	10	-	g	-
散热板平整度	0	-	+200	µm	-	测量点如图6 - 1所示

注意1：推荐使用外径8mm的平垫圈（ISO 7089 - 7094）。 注意2：安装模块到散热板时，过度不均匀的紧固力可能会对内部芯片或散热板陶瓷施加应力，导致模块损坏。推荐的紧固顺序如图5所示，临时紧固扭矩设置为最大扭矩额定值的20% - 30%。在模块和散热板的接触表面均匀涂抹100µm - 200µm厚的导热油脂，注意避免接触表面有污垢。

安装注意事项

• 电源极性连接错误可能会损坏IPM，连接电源时应采取防反接措施，如在电源和IPM电源引脚之间安装外部二极管。
• PCB布局应设计低阻抗电源线，分离数字和模拟块的接地和电源线，防止数字块的噪声影响模拟块。在所有电源引脚连接电容，使用电解电容时要考虑温度和老化对电容值的影响。
• 确保任何时候引脚电压不低于接地引脚电压，但驱动感性负载的引脚可能因反电动势而低于接地电压，用户应仔细考虑相关因素，确保不会导致IPM和系统故障。
• 小信号和大电流接地走线应分开布线，并在应用板的参考点连接到单接地，以避免大电流引起的小信号接地波动。接地走线应尽可能短而粗，以降低线路阻抗。
• 注意散热，避免芯片结温超过最大额定值，导致芯片性能下降。
• 首次给IPM供电时，由于内部上电顺序和延迟，可能会出现内部逻辑不稳定和浪涌电流，应特别考虑电源耦合电容、电源布线、接地布线宽度和连接路由。
• 在强电磁场环境中操作IPM可能会导致故障。
• 在应用板上测试IPM时，直接将电容连接到低阻抗输出引脚可能会对IPM造成压力，每次测试后应完全放电电容。检查过程中，连接或移除IPM时应先完全关闭电源。组装和运输存储时要注意防静电。
• 安装IPM时要确保方向和位置正确，避免引脚短路，特别是与接地、电源和输出引脚短路。
• 未使用的输入引脚应连接到电源或地线，以防止外部电场充电导致IPM意外操作。
• 操作IPM时，要确保输出电压、输出电流和功耗都在安全工作区域（ASO）内。

总结

ROHM的BM