工控摘要：很少有其它應(yīng)用場所和車輛行駛環(huán)境一樣，對各種電子元器件的要求異常嚴(yán)苛，它往往意味著如何讓用于汽車或卡車的電機設(shè)計實現(xiàn)更高的耐用性、可靠性和率將成為一項嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。
　　
　　例如，機架式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能會面臨超過100℃的環(huán)境溫度，以及高沖擊和振動負載，并且還會接觸到石油產(chǎn)品和鹽水、噴霧等——所有這些都要求提供150A或更高的電機相電流，同時還要求損耗能夠達到zui小。其次，制造成本、尺寸大小和重量也是需要考慮的另一個因素，因此針對特殊設(shè)計查找合適的組件就顯得尤為重要。
　　
　　目前，出現(xiàn)了一種趨勢有助于汽車設(shè)計師改進電氣化，即日益普遍采用的高度集成汽車功率模塊（APM，AutomotivePowerModules），此類模塊能夠以較小的尺寸提供較高的功率密度，本文將重點探討APM功率模塊在提高汽車電氣性能的同時，使設(shè)計更為緊湊的實現(xiàn)方式。
　　
　　APM功率模塊的構(gòu)成
　　
　　一般來說，APM汽車功率模塊通常在單個緊湊封裝中集成了全部功能所需的器件，這很容易在設(shè)計中實現(xiàn)。例如，飛兆半導(dǎo)體的FTCO3V451就是一款符合汽車應(yīng)用要求的MOSFET逆變器功率級模塊，它可提供三相逆變器的所有功能，包括六個提供高電流、率操作的MOSFET。該模塊中還集成了從電池到地的RC緩沖電路，緊密耦合到MOSFET橋，以改進EMI性能；還包括用于電流感測的0.5m?精密分流電阻，可提供電流反饋，實現(xiàn)電機控制和過流保護。另外，該汽車功率模塊內(nèi)部還設(shè)有一個溫度感測NTC，用于監(jiān)控逆變器的發(fā)熱情況。和其他制造商APM模塊的設(shè)計原理一樣，這款功率模塊可提供不同的電路組合——設(shè)計人員可使用APM汽車功率模塊代替分立式設(shè)計，由此創(chuàng)建出一個尺寸更小、能夠提供更高功率密度的系統(tǒng)。
　　
　　在實際應(yīng)用中，APM功率模塊通常被直接安裝在電機外殼表面，允許PCB僅沿模塊一側(cè)連接至信號引腳。
　　
　　在所示的電路中，電源線放在模塊相反的兩側(cè)，用于分離控制和電源接口。這樣，PCB上就不需要高電流走線，使得設(shè)計實施和生產(chǎn)更為簡單。傳熱式直接敷銅（DBC）結(jié)構(gòu)在安裝表面和電氣有源組件之間提供2500Vrms電氣隔離。
　　
　　減少機械連接，提升熱性能
　　
　　在使用分立式封裝組件開發(fā)的逆變器中，如TO-263或MO-299封裝通常都會有較多的機械接口需要處理，其中包括MOSFET封裝至PCB、PCB至隔離散熱器、散熱器至散熱片，某些情況下還可能有散熱片至下一級組件的連接等。這些機械接口與系統(tǒng)的熱性能緊密相關(guān)，而在APM汽車功率模塊中，這些大部分的機械接口已整合于APM之中，在許多情況下，要進行的*純機械連接是從模塊到散熱片。
　　
　　與安裝在PCB或IMS上的六個或更多分立式MOSFET封裝部件相比，通過APM功率模塊實現(xiàn)的簡化機械接口設(shè)計可獲得*的熱性能。如圖2所示，它顯示出對于逆變器的所有六個MOSFET，從結(jié)至外殼以及通常從結(jié)至散熱片的瞬態(tài)熱阻，結(jié)至散熱片的熱阻體現(xiàn)為采用30?m厚系數(shù)為2.1W/（m-K）的導(dǎo)熱材料。
　　
　　采用這種從散熱片到硅的簡單堆疊，可獲得出色的熱性能，也使得全逆變器可采用*功率密度的封裝。例如，圖2所使用的APM功率模塊其尺寸為29x44x5mm，可構(gòu)成約400mL總?cè)萘康臉O緊湊逆變器組件，包括繼電器、直流鏈路濾波器組件、控制PCB、散熱片和連接器等。
　　
　　其它性能優(yōu)勢
　　
　　采用分立式解決方案，載流量容易受到引線框架和IMS走線厚度的限制。而使用單封裝的APM功率模塊可顯著增強載流量。此外，分立式解決方案還有較高的總逆變器電阻、逆變器電感、走線電阻和柵極驅(qū)動電路電感，以及更高的熱阻（結(jié)-散熱片）。為此，所有這些性能特性通過將分立式解決方案替換為APM功率模塊而得到改進。
　　
　　另一方面，更好的EMC特性也是使用APM功率模塊的另一個原因。采用這種模塊可以更輕松地隔離功率和信號引腳，實現(xiàn)更低的電感并靠近RC濾波，同時，使用APM功率模塊還可以提供更高的扭矩輸出，由此將電動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域擴大至重型車輛。
　　
　　結(jié)論
　　
　　APM功率模塊可用于各種汽車電子子系統(tǒng)，尤其適用于電控助力轉(zhuǎn)向、油和水泵，以及冷卻風(fēng)扇應(yīng)用中。汽車電子設(shè)計工程師充分利用現(xiàn)成的APM功率模塊，將能夠更好地實現(xiàn)汽車子系統(tǒng)的電源管理功能。APM功率模塊以更小的尺寸達到更高的功率密度，并且zui大程度地減少了機械連接，降低了熱阻，更為重要的是，與分立式解決方案相比，這種APM功率模塊還可以提高汽車電子的各項電氣性能。