SPMTM (智能功率模块) 产品的大量涌现及其带来的成本效益潜力，使我们有理由重新审视低功耗驱动应用中SPM与传统分立功率器件之优、缺点的比较。今天，家用及商用电器之类的高产量电器制造商已经将SPM应用到洗衣机、电冰箱等电器中。这是一个强烈的信号，表明智能功率模块能够满足这些高产量家电制造业的成本和可靠性要求，并具有革新驱动电路产业的潜力。采用高度自动化的环氧模塑接线框构造，并结合使用诸如DBC (直接敷铜) 之类的现代绝缘材料技术，已经生产出能处理1A-75A 驱动电流的600V DIP (单列直插) 和SIP (双列直插) SPM。本文将讨论这类模块的各种指标参数，如部件匹配和差异、可靠性、布局布线效率、新增功能及热管理。我们的结论是：SPM在普通工业电机控制和家电行业中的可行性与日俱增。此外，本文也将讨论IGBT、 MOSFET和驱动电路设计的最新趋势，以及这种趋势对于封装的影响。
SPM是包括栅极驱动电路真正具有自保护功能的模块。它采用微控制器或数字信号处理器 (DSP) 来实现电机驱动的控制算法，即确定何时导通和关断各个IGBT或 MOSFET开关器件。因此，这种模块实质上是微控制器和待驱动的电机之间的一个接口。
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| 图1：采用陶瓷绝缘基的典型微型DIP智能功率模块 (44mmX27mm) 的剖面图。 |
早期SPM产品的功能有限，通常只为电源负轨上的 IGBT发射极间提供单一的内部连接。而如今的SPM已能提供包括3-N 端负轨连接在内的许多功能，能支持电流矢量和无传感器电机控制。SPM还具有下列重要功能：
i) 具有电压自举功能的HVIC驱动电路；用单一的偏置电压就可驱动所有6个内部开关器件。
ii) 具有欠压传检测功能的高压驱动电路；能防止栅极电压不足时功率开关在损耗极大的线性模式下工作。
iii) 内置热敏电阻器，能快速、准确地监视内部模块的温度和实现过热保护。采用电源负轨检测单元 IGBT，进行过流故障检测及实现过流和欠压故障报警输出，而且电流检测电阻上的功耗极小。
在可预见的未来，SPM模块的材料成本基本上会高于相同分立元件解决方案的材料成本。这主要取决于流行的功率封装件 (如TO-220或DPAK，甚至更大的TO-247) 的应用规模。目前，这种模块的优势体现在空间紧张的应用中，或采用安装在电机轴上非常紧凑的环形板卡替换上一代变频驱动的“功率板”后能得到明显优势的应用中。图2所示为可安装在电机轴上的典型驱动电路板。这种电机和驱动电路的集成构造常常用于空调机和吸尘器的无刷直流风扇电机控制器中。
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| 图2：可安装在电机轴上的典型的风扇电机驱动电路板。 |
另一个优点是可利用模块上已有的绝缘材料，将模块直接紧贴电机壳的金属内壁安装。这是分立元件解决方案难以做到的。SPM的这个优点有助于改变电机和驱动子系统的一体化机械设计。
SPM的主要优点是能减少杂散电感。VFD (变频驱动) 开关器件在硬开关模式下工作；在开关转换期间，开关器件间的布线形成的寄生电感会俘获相当大的能量。寄生电感存储的能量会在开关器件上形成过高的电压尖峰，造成开关器件和HVIC栅极驱动电路损坏。由于SPM的内部布线采用裸片互连的方式而不是分立器件封装间互连的方式，因此寄生电感大大减小。同时，这种优化的布线也减小了驱动电路中关键性布局设计的工作量。
变频驱动 (VFD)
除了减小布线寄生电感之外，SPM模块设计人员还能根据VCE(sat) 匹配IGBT、功率二极管和HVIC驱动电路的性能并调节开关性能，根据目标开关载频来优化各种模块。这样，VFD设计人员可以使用针对较低和较高频率而优化的模块，省去了优化工作。在分立设计中，由于将多种分立部件组合起来导致的控制功能受限，这项工作几乎是不可能的。
SPM还具有附加的优点，来自于它所采用的半导体裸片“血缘”相同。硅片源自同一批功率半导体晶圆，并经过同样的设备加工，因此器件的静态和动态性能 (如击穿电压、延迟时间、开关时间、导通压降等) 都非常相近。采用单一模块可增加在应用中使用同一时间加工的裸片的机会，从而减少来自不同工艺阶段的器件之间的失配问题。
组装完成后的模块需要进行自动测试，这可为日后的系统设计提供进一步的质量保证。测试结果表明，模块在可重复性、可靠性及性能方面均优于等同的分立元件产品。
与单一模块相比，采用分立的高压栅极驱动电路需要额外添加一些无源部件。通常，分立器件必需外接波形整形电路，即动用过多的驱动资源来控制开关速度和减少功率器件在开关动作期间产生的EMI。采用单一模块来控制功率开关的优势在于：驱动IC可针对某一组开关而优化，这样就可用HVIC来实现波形整形，从而节省板空间。此外，由于SPM厂家能更好地控制模块内的组合部件，最终产品因此都经过严格的生产测试来进行优化和检验。
从制造的角度来看，SPM的制造工艺简单得多。经预测试和绝缘处理后的模块不会象分立方案那样，因绝缘材料的瑕疵和破损而影响可靠性。SPM的制造时间更短、需焊接的部件更少，而且经预测试的模块可缩短测试时间甚至无需测试，这些优点使SPM比分立元件解决方案更具吸引力。
虽然，目前大多数SPM产品适用于主要的三相VFD输出逆变器，但发展趋势是将SPM的技术优势并入到那些提供额外的VFD解决方案的产品中。最近引起业界兴趣的PFC (功率因数校正) 电路就是一个例子，交流输入到低功率VFD。通常，VFD中采用PFC电路是为了降低输入电流，在给定的交流电源下输出更大的功率。在这类应用中，采用PFC解决方案比离线电源解决方案简单；这是因为VFD产品一般都不需要满足IEC61000中那些严格的谐波电流要求。在某些电机驱动应用中，可能会采用部分 (Partial Switch) PFC电路。这种电路是对120Hz整流交流波形进行整形的电路；其开关频率为输入频率，常用于从交流电源驱动较大的电机，这些应用必须采用此技术才能实现。模块中逆变部分的整流器和IGBT或MOSFET附近也因布局合理而降低了损耗。
除了提供新的VFD解决方案 (如PFC模块) 外，还出现了面向24V和48V直流应用 (如采用电池供电设备) 的低压直流总线SPM产品。在这些电压等级下，功率MOSFET作为开关器件更显其优势，在采用Fred FET来解决驱动电路中硬开关的能耗问题时效果尤其突出。
SPM技术正在向高功率和低功率方向发展。在低功率端 (即低于200W)，MOSFET替代了IGBT，而在高功率端，陶瓷基材接线框构造让位给DBC构造。DBC构造技术提高了耐热性能，使到制造更高功率的SPM成为可能。例如，采用DBC技术和AIN绝缘陶瓷的75A SPM模块，封装尺寸为31mm x 60mm，其热阻指标已达到0.53C/W。
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| 图3：采用DBC绝缘技术的典型SPM模块的接线框架构造叠层图。右边所示为典型的器件引线框架。 |
SPM的改进自然受到半导体技术、封装设计及制造自动化技术进步的推进。此外，人们希望在超声载频下实现更安静、更节能 (小于 1hp) 的电器驱动电路，这也推动了开关器件的发展，促使开关的速度越来越快，但同时也增加了正向导通压降。
当然，现代SPM产品会结合当今分立功率开关技术的一些主要优点。功率开关中的一些关键技术进展包括：
a. 当今的IGBT开关频率可达100kHz。IGBT的导通电压也比其上一代产品低。
b. 非穿通型 (NPT) IGBT更为可靠，且过载承受时间显著延长 – 这指标 (即短路承受时间SCWT) 在许多电机应用中非常关键。
c. 快速体二极管 (Fast Body Diode) MOSFET使用类似于超快速整流器的制造步骤，大大降低了反并联二极管的Qrr 和 trr，从而提高系统效率。
d. 超级结 (Super Junction) FET技术 (通常反映在产品名称上，如SuperFETTM) 大大降低了导通电阻，从而减小导通损耗。
当应用于栅极驱动电路时，SPM较之于分立元件方案的一个主要优点是能够控制驱动电压的波形。由于模块制造商非常熟悉所驱动的IGBT或MOSFET，在设计栅极驱动IC时，他们可同时平衡两个对立的要求，即提高开关速度以降低开关损耗和降低开关速度以避免不必要的EMI。虽然，与SPM中使用的HVIC相类似的器件也可用于分立设计，但针对具体的SPM对驱动波形进行个性化整形，能够提高电路的性能、缩短设计时间和减少部件数目。此外，SPM能承受较高的负压，因而能应付与VFD的硬开关特性相关的电压瞬变 (dv/dt) 噪声问题。
总的来说，智能功率模块 (SPM) 应该用于新的VFD设计中，因其成本效益好，当考虑到整体成本时，这一点尤其突出。而且，这种模块还可提高整个系统的可靠性，同时缩短VFD功率级的开发时间。SPM产品种类丰富，电流范围从3A到30A，采用单一封装，尺寸适合机械应用，能满足各种VFD产品的机械标准化要求。而用于SPM制造的技术，如晶圆批次控制、栅极驱动与具体的IGBT特性的匹配等，在传统的分立元件制造中是不可能实现的。
作者：飞兆半导体公司Ron Randall和V. Sukumar
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