FSBB30CH60D [ONSEMI]
Motion SPM® 3 系列;型号: | FSBB30CH60D |
厂家: | ONSEMI |
描述: | Motion SPM® 3 系列 电动机控制 |
文件: | 总17页 (文件大小:1353K) |
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2015 年 4 月
FSBB30CH60D
®
Motion SPM 3 系列
特性
概述
FSBB30CH60D 是一款先进的 Motion SPM® 3 模块,为
交流感应、无刷直流电机和 PMSM 电机提供非常全面的
高性能逆变器输出平台。该型号内建 IGBT 优化栅极驱
动,最大限度降低电磁辐射和损耗,同时提供多种自带保
护功能,包括欠压闭锁、过流关断、驱动芯片热监控和故
障报告。内置的高速 HVIC 只需要一个单电源电压,将逻
辑电平栅极输入转化为适合驱动模块内部 IGBT 的高电
压,高电流驱动信号。独立的 IGBT 负端在每个相位均有
效,可支持大量不同种类的控制算法。
• 通过 UL 第 E209204 号认证 (UL1557)
• 600 V - 30 A 三相 IGBT 逆变器,包含栅极驱动和保护
的控制 IC
• 低损耗、短路额定的 IGBT
• 采用 DBC (Al2O3) 基板实现非常低的热阻
• 内置自举二极管和专用的 Vs 引脚以简化印刷电路板布
局
• 低端 IGBT 的独立发射极开路引脚用于三相电流感测
• 单接地电源供电
• LVIC 内嵌温度感测功能,用于监控温度
• 绝缘等级:2500 Vrms / 分钟
应用
• 运动控制 — 家用设备 / 工业电机
相关资料
• AN-9085 - Motion SPM® 3 Ver.5 Series Users Guide
• AN-9086 - SPM 3 Package Mounting Guide
• AN-9087 - Motion SPM® 3 Ver.5 Series Thermal
Performance Information
图 1. 封装概览
封装标识与定购信息
器件
器件标识
封装
包装类型
数量
FSBB30CH60D
FSBB30CH60D
SPMPA-027
Rail
10
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1
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集成的功率功能
600 V - 30 A IGBT 逆变器,适用于三相 DC / AC 功率转换 (请参阅图 3)
•
集成的驱动、保护和系统控制功能
对于逆变器高端 IGBT:栅极驱动电路、高压隔离的高速电平转换
控制电路欠压锁定保护 (UVLO)
•
注 : 可用自举电路示例如图 5 和图 15 所示。
•
对于逆变器低端 IGBT:栅极驱动电路、短路保护 (SCP)
控制电源欠压锁定保护 (UVLO)
•
•
故障信号:对应 UVLO (低端电源)和短路故障
输入接口:高电平有效接口,可用于 3.3 / 5 V 逻辑电平,施密特触发脉冲输入
引脚布局
图 2. 俯视图
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引脚描述
引脚号
1
引脚名
VCC(L)
COM
IN(UL)
IN(VL)
IN(WL)
VFO
引脚描述
IC 和 IGBT 驱动的低端公共偏压
公共电源接地
2
3
低端 U 相的信号输入
低端 V 相的信号输入
低端 W 相的信号输入
故障输出
4
5
6
7
VTS
LVIC 温度感测电压输出
短路电流感测输入电容 (低通滤波器)
高端 U 相的信号输入
IC 和 IGBT 驱动的高端公共偏压
U 相 IGBT 驱动的高端偏压
U 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
高端 V 相的信号输入
IC 和 IGBT 驱动的高端公共偏压
V 相 IGBT 驱动的高端偏压
V 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
高端 W 相的信号输入
IC 和 IGBT 驱动的高端公共偏压
W 相 IGBT 驱动的高端偏压
W 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
U 相的直流输入负端
8
CSC
9
IN(UH)
VCC(H)
VB(U)
VS(U)
IN(VH)
VCC(H)
VB(V)
VS(V)
IN(WH)
VCC(H)
VB(W)
VS(W)
NU
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
NV
V 相的直流输入负端
NW
W 相的直流输入负端
U 相输出
U
V
V 相输出
W
W 相输出
P
直流输入正端
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3
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内部等效电路与输入 / 输出引脚
P (27)
W (26)
(19) V
B( W )
VB
(18) V
CC (H)
VCC
COM
OUT
VS
(17) IN(WH
)
IN
(20) V
S( W )
(15) V
B( V)
VB
(14) V
CC (H)
VCC
COM
IN
OUT
VS
(13) IN VH)
(
V (25)
(16) VS(V)
(11) V
B( U)
VB
(10) V
CC (H)
VCC
OUT
VS
COM
(9) IN
(UH)
U (24)
IN
(12) V
S ( U)
(8) CSC
OUT
OUT
CSC
VTS
VFO
(7) V
T S
NW (23)
NV (22)
NU (21)
(6) V
F O
(5) IN(WL )
IN
IN
IN
(4) IN(VL)
(3) IN(UL )
(2) COM
COM
VCC
OUT
(1) V
CC( L)
图 3. 内部框图
注:
1. 逆变器的低端由三个 IGBT 及相应的续流二极管和一个控制 IC 组成。具有栅极驱动和保护功能。
2. 逆变器的功率端由逆变器的四个直流母线输入端和三个输出端组成。
3. 逆变器高端由三个 IGBT 组成,每个 IGBT 包括续流二极管和三个驱动 IC。
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绝对最大额定值 (TJ = 25°C,除非另有说明。)
逆变器部分
符号
参数
工作条件
施加在 P - NU, NV, NW 之间
施加在 P - NU, NV, NW 之间
额定值
450
500
600
30
单位
VPN
V
V
V
A
A
电源电压
VPN (浪涌) 电源电压 (浪涌)
VCES
± IC
集电极 — 发射极之间电压
单个 IGBT 的集电极电流
TC = 25°C, TJ ≤ 150°C (注 4)
± ICP
60
单个 IGBT 的集电极电流 (峰值)
TC = 25°C,TJ ≤ 150°C,脉冲宽度小于 1 ms
(注 4)
PC
TJ
113
W
集电极功耗
工作结温
TC = 25°C per One Chip (注 4)
-40 ~ 150
°C
控制部分
符号
VCC
参数
控制电源电压
工作条件
额定值
20
单位
V
V
施加在 VCC(H), VCC(L) - COM 之间
VBS
20
高端控制偏压
施加在 VB(U) - VS(U),VB(V) - VS(V),VB(W) -
VS(W)
VIN
-0.3 ~ VCC+0.3
施加在 IN(UH), IN(VH), IN(WH), IN(UL),
IN(VL), IN(WL) - COM 之间
V
输入信号电压
VFO
IFO
-0.3 ~ VCC+0.3
2
V
mA
V
故障输出电源电压
故障输出电流
施加在 VFO - COM 之间
V
FO 引脚处的灌电流
VSC
-0.3 ~ VCC+0.3
电流感测输入电压
施加在 CSC - COM 之间
自举二极管部分
符号
参数
工作条件
额定值
600
单位
VRRM
IF
V
A
A
最大重复反向电压
正向电流
0.5
TC = 25°C, TJ ≤ 150°C (注 4)
IFP
2.0
正向电流 (峰值)
TC = 25°C,TJ ≤ 150°C,脉冲宽度小于 1 ms
(注 4)
TJ
-40 ~ 150
°C
工作结温
整个系统
符号
参数
工作条件
额定值
单位
VPN(PROT)
400
V
自我保护限制电源电压 (短路保护能力) VCC = VBS = 13.5 ~ 16.5 V,TJ = 150°C,非
重复性, < 2 μs
TC
-40 ~ 125
-40 ~ 125
2500
°C
°C
模块壳体工作温度
存储温度
见图 2
TSTG
VISO
Vrms
绝缘电压
60 Hz,正弦波形, 1 分钟,连接陶瓷基板到
引脚
热阻
符号
Rth(j-c)Q
Rth(j-c)F
参数
工作条件
最小值 典型值 最大值 单位
-
-
-
-
1.10
2.10
°C / W
°C / W
结点 — 壳体的热阻 (注 5)
逆变器 IGBT 部分 (每 1 / 6 模块)
逆变器 FWD 部分 (每 1 / 6 模块)
注:
4. 这些值获取了考虑到设计因素的计算结果。
5. 关于壳体温度 (T ) 的测量点,请参阅图 2。
C
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电气特性 (TJ = 25°C,除非另有说明。)
逆变器部分
符号
参数
工作条件
最小值 典型值 最大值 单位
VCE(SAT)
VCC = VBS = 15 V IC = 30 A, TJ = 25°C
-
1.50
2.10
V
集电极 — 发射极间饱和电压
V
IN = 5 V
VF
VIN = 0 V
IF = 30 A, TJ = 25°C
-
1.80
0.90
0.25
0.90
0.10
0.10
0.80
0.25
0.90
0.15
0.10
-
2.40
1.40
0.55
1.40
0.40
-
V
μs
μs
μs
μs
μs
μs
μs
μs
μs
μs
mA
FWD 正向电压
HS
LS
tON
VPN = 300 V, VCC = 15 V, IC = 30 A
TJ = 25°C
VIN = 0 V ↔ 5 V,电感负载
见图 5
(注 6)
0.50
开关时间
tC(ON)
tOFF
tC(OFF)
trr
-
-
-
-
tON
VPN = 300 V, VCC = 15 V, IC = 30 A
TJ = 25°C
VIN = 0 V ↔ 5 V,电感负载
见图 5
(注 6)
0.40
1.30
0.55
1.40
0.45
-
tC(ON)
tOFF
tC(OFF)
trr
-
-
-
-
-
ICES
VCE = VCES
5
集电极 — 发射极间漏电流
注:
6. t 和 t
包括模块内部驱动 IC 的传输延迟时间。 t
和 t
指在内部给定的栅极驱动条件下, IGBT 本身的开关时间。详细信息,请参见图 4。
C(OFF)
ON
OFF
C(ON)
100% IC 100% IC
trr
VCE
IC
IC
VCE
VIN
VIN
tON
tOFF
tC(ON)
tC(OFF)
10% IC
VIN(ON)
VIN(OFF)
10% VCE
10% IC
90% IC 10% VCE
(b) turn-off
(a) turn-on
图 4. 开关时间的定义
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One-Leg Diagram of SPM 3
IC
P
CBS
VCC(H)
VB
COM(H) OUT(H)
LSSwitching
IN(H)
IN (L )
VS
VPN
HS Switching
U,V,W
V
Inductor
300V
LS Switching
VCC(L)
VFO
VIN
HS Switching
OUT(L)
5V
0V
TSU
VCC
4.7kΩ
CSC
V
COM(L)
NU,V,W
+15V
V
+5V
图 5. 开关测试电路实例
图 6. 开关损耗特性
图 7. V 的温度曲线 (典型值)
TS
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自举二极管部分
符号
参数
工作条件
最小值 典型值 最大值 单位
VF
trr
IF = 0.1 A, TJ = 25°C
-
-
2.5
80
-
-
V
正向电压
IF = 0.1 A, dIF / dt = 50 A / μs, TJ = 25°C
ns
反向恢复时间
控制部分
符号
参数
工作条件
最小值 典型值 最大值 单位
IQCCH
VCC(H) = 15 V,
IN(UH,VH,WH) = 0 V
VCC(H) - COM
VCC(L) - COM
-
-
-
-
-
-
0.50
6.00
0.50
mA
mA
mA
V
V
CC 静态电源电流
IQCCL
IPCCH
VCC(L) = 15 V,
IN(UL,VL, WL) = 0 V
VCC(H) - COM
V
CC(H) = 15 V, fPWM =
20 kHz,占空比 = 50%,施
加于高端的一个 PWM 信号
输入
CC 电源电流
IPCCL
VCC(L) - COM
-
-
10.0
mA
VCC(L) = 15V, fPWM
=
20 kHz,占空比 = 50%,施
加于低端的一个 PWM 信号
输入
IQBS
VBS = 15 V,
IN(UH, VH, WH) = 0 V
VB(U) - VS(U)
,
-
-
-
-
0.30
4.50
mA
mA
V
V
BS 静态电源电流
BS 工作电源电流
VB(V) - VS(V)
,
VB(W) - VS(W)
IPBS
V
V
V
B(U) - VS(U)
B(V) - VS(V)
B(W) - VS(W)
,
VCC = VBS = 15 V, fPWM
=
,
20 kHz,占空比 = 50%,施
加于高端的一个 PWM 信号
输入
VFOH
VFOL
4.5
-
-
-
-
V
V
故障输出电压
VCC = 15 V, VSC = 0 V, VFO 电路:4.7 kΩ
至 5 V Pull-up
0.5
VCC = 15 V, VSC = 1 V, VFO 电路:4.7 kΩ
至 5 V Pull-up
VSC(ref)
UVCCD
UVCCR
UVBSD
UVBSR
tFOD
CSC - COM(L)
0.45
9.8
0.50
0.55
13.3
13.8
12.5
13.0
-
V
V
短路触发电平
VCC = 15 V (注 7)
检测电平
-
电源电路欠压保护
10.3
9.0
-
V
复位电平
-
V
检测电平
9.5
-
-
V
复位电平
50
μs
mV
故障输出脉宽
VTS
540
640
740
LVIC 温度感应电压输出 VCC(L) = 15 V, TLVIC = 25°C (注 8)
见图 7
VIN(ON)
-
-
-
2.6
-
V
V
导通阈值电压
关断阈值电压
施加在 IN(UH, VH, WH) - COM,IN(UL, VL, WL)
COM 之间
-
VIN(OFF)
0.8
注:
7. 短路电流保护仅作用于低端。
8. T 是 LVIC 自身的温度。 V 只能用作 LVIC 的温度感测,但不能自动关闭 IGBTs。
LVIC
TS
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推荐工作条件
数值
符号
参数
工作条件
单位
最小值 典型值 最大值
VPN
VCC
VBS
-
300
15
15
-
400
16.5
18.5
1
V
V
电源电压
施加在 P - NU, NV, NW 之间
14.0
13.0
- 1
控制电源电压
高端偏压
施加在 VCC(UH, VH, WH) - COM, VCC(L) - COM 之间
施加在 VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V), VB(W) - VS(W)
V
dVCC / dt,
dVBS / dt
V / μs
控制电源的波动
tdead
fPWM
VSEN
1.0
-
-
-
-
μs
kHz
V
防止桥臂直通的死区时间 适用于每个输入信号
-40°C ≤ TC ≤ 125°C, -40°C ≤ TJ ≤ 150°C
20
5
PWM 输入信号
- 5
电流感测的电压
施加在 NU, NV, NW - COM 之间
(包括浪涌电压)
PWIN(ON)
PWIN(OFF)
TJ
2.0
2.0
-
-
-
-
-
μs
°C
最小输入脉宽
结温
VCC = VBS = 15 V, IC ≤ 60 A,线路电感在 NU, V, W
和直流母线 N < 之间为 10nH (注 9)
- 40
150
注:
9. 此产品可能不会响应,若输入脉宽值低于最低推荐值。
图 8. 允许最大输出电流
注:
10. 这个允许输出电流值是此产品安全工作时的参考值。考虑到实际应用和工作条件,它可能会改变。
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机械特性和额定值
极限值
参数
工作条件
单位
最小值 典型值 最大值
0
-
+150
0.8
μm
器件平面度
安装扭矩
见图 9
0.6
6.2
0.7
7.1
N • m
kg • cm
安装螺钉:M3
建议 0.7 N • m
8.1
建议 7.1 kg • cm
见图 10
10
2
-
-
-
-
-
S
一端拉力强度
一端弯曲强度
重量
负载 19.6 N
负载 9.8 N, 90 度弯曲
次
-
15
g
( + )
( + )
图 9. 平面度测量位置
Pre - Screwing : 1
Final Screwing : 2
2
1
2
1
图 10. 安装螺钉时的扭紧顺序
注:
11. 安装或扭动螺丝时切勿过分用力。扭力过大会造成 DBC 基底破裂,产生毛刺并破坏铝质散热片。
12. 避免用力不均衡。图 10 显示了安装螺钉时,推荐的扭紧顺序。安装不平会破坏封装 DBC 基底。预旋紧扭矩约为最大额定扭矩的 20 ~ 30%。
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SPM 保护功能时序图
Input Signal
Protection
Circuit State
RESET
SET
RESET
UVCCR
a1
a6
Control
Supply Voltage
UVCCD
a2
a3
a4
a7
Output Current
a5
Fault Output Signal
图 11. 欠压保护 (低端)
a1:控制电源电压上升:当电压上升到 UVCCR 后,等到下一个开通信号时,对应的电路才开始动作。
a2:正常工作:IGBT 导通并加载负载电流。
a3:欠压检测 (UVCCD)。
a4:不论控制输入的条件, IGBT 都关断。
a5:故障输出工作从一个固定脉冲宽度启动。
a6:欠压复位 (UVCCR)。
a7:正常工作:当触发下一个低状态到高状态的信号, IGBT 导通并加载负载电流。
Input Signal
Protection
RESET
SET
RESET
Circuit State
UVBSR
b5
b1
Control
Supply Voltage
UVBSD
b2
b3
b4
b6
Output Current
High-level (no fault output)
Fault Output Signal
图 12. 欠压保护 (高端)
b1:控制电源电压上升:当电压上升到 UVBSR 后,等到下一个输入信号时,对应的电路才开始动作。
b2:正常工作:IGBT 导通并加载负载电流。
b3:欠压检测 (UVBSD)。
b4:不论控制输入的条件, IGBT 都关闭,且无故障输出信号。
b5:欠压复位 (UVBSR)。
b6:正常工作:当触发下一个低状态到高状态的信号, IGBT 导通并加载负载电流。
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Lower arms
control input
c6
c7
Protection
Circuit state
SET
RESET
Internal IGBT
Gate-Emitter Voltage
c4
c3
c2
Internal delay
at protection circuit
SC current trip level
c8
c1
Output Current
SC Reference Voltage
Sensing Voltage
of sense resistor
RC Filter circuit
time constant
delay
Fault Output Signal
c5
图 13. 短路电流保护 (仅适用于低端工作)
(包含外部感测电阻和阻容滤波器连接)
c1:正常工作:IGBT 导通并加载负载电流。
c2:短路电流检测 (SC 触发)。
c3:所有的低端 IGBT 都是栅极硬中断。
c4:所有的低端 IGBT 关断。
c5:故障输出工作从一个固定脉冲宽度启动。
c6:输入高状态:IGBT 导通状态,但是在故障输出有效的时间内, IGBT 不导通。
c7:故障输出工作结束,但是 IGBT 不导通直到触发下一个低状态到高状态的信号。
c8:正常工作:IGBT 导通并加载负载电流。
输入 / 输出接口电路
+5V (MCU or Control power)
4.7 kΩ
SPM
,
,
IN(UH) IN(VH) IN(WH)
,
,
IN(UL) IN(VL) IN(WL)
MCU
VFO
COM
图 14 推荐的 MCU I/O 接口电路
注:
13. 每个输入端的 RC 耦合可能随着应用程序中使用的 PWM 控制方案和应用程序印刷电路板接线抗阻而改变。 Motion SPM 3 产品的输入信号部分集成了一个 5 kΩ (典型值)的
下拉电阻。因此,当使用外部的滤波电阻时,请注意该信号在输入端的压降。
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P (27)
R1
(17) IN( WH)
(18) VCC(H)
Gating WH
IN
VCC
COM
OUT
VS
C4
(19) VB( W)
(20) VS( W)
W (26)
C3 C4
VB
D2
D2
D2
R1
(13) IN
( VH)
IN
Gating VH
Gating UH
(14) VCC(H)
VCC
COM
OUT
VS
C4
(15) VB( V)
(16) VS(V)
C3 C4
V (25)
VB
M
R1
(9) IN
( UH)
IN
VCC
M
C
U
(10) VCC(H)
C7
VDC
C4
OUT
VS
C1 C1 C1
COM
VB
(11) VB(U)
(12) VS(U)
C3 C4
U (24)
5V line
R3
VTS
R6
D
C6
C5
(8) CSC
(7) VTS
B
OUT
OUT
OUT
C
CSC
VTS
R4
A
NW (23)
R1
R1
(6) VFO
VFO
Fault
(5) IN(WL )
(4) IN(VL)
(3) IN(UL )
Gating WL
Gating VL
Gating UL
IN
IN
IN
R1
R1
R4
NV (22)
E
Power
(2) COM
(1) VCC(L)
15V line
C2
C1
COM
VCC
C1
C1 C1 C1
GND Line
R4
NU (21)
C4
D2
R5
R5
R5
Control
GND Line
W-Phase Current
V-Phase Current
U-Phase Current
Input Signal for
Short-Circuit Protection
C5
C5
C5
图 15. 典型应用电路
注:
14. 为避免出现故障,应尽可能缩短每个输入端的连线。(小于 2 ~ 3 cm)
15. V 输出是漏极开路型。此信号线应该用电阻上拉至 MCU 或控制电源正极,以使 I 达到 2 mA。请参阅图 14。
FO
FO
16. 输入信号为高电平有效。在 IC 中,有一个 5 kΩ 的电阻将每一个输入信号线下拉接地。应当采用 RC 耦合电路,以避免输入信号振荡。 R C 时间常数应该选择在 50 ~ 150 ns
1
1
范围内。 ( 推荐 R = 100 Ω, C = 1 nF)
1
1
17. 每个 A 点的布线图电感应尽可能的最小化 (建议小于 10 nH)。使用表面贴片 (SMD)类型的分流电阻 R 来减少线路电感。为防止发生故障, E 点的线路应尽可能的靠近分
4
流电阻 R 端。
4
18. 为避免保护功能出错,应尽可能缩短 B, C, D 点周围的连线。
19. 在短路电流保护电路中,R C 时间常数应该选择在 1.5 ~ 2 μs 范围内。请在真实系统中做足够多的评估,因为短路电流保护时间可能根据布线设计图和 R C 时间常数的值会
6
6
6 6
有所变化。
®
20. 每个电容都应尽可能地靠近 SPM 3 产品的引脚安装。
21. 为防止浪涌的破坏,应尽可能缩短滤波电容 C 和 P & GND 引脚间的连线。推荐在 P & GND 引脚间使用 0.1 ~ 0.22 μF 的高频无感电容。
7
22. 在各种工业应用中,几乎都用到了继电器。在这些情况下, CPU 和继电器之间应留有足够的距离。
23. 在每一对控制电源端应该采用齐纳二极管或者瞬态电压抑制器来保护 IC 不受浪涌破坏 (推荐 22 V / 1 W,齐纳阻抗特性低于 15 Ω 的齐纳二极管)。
24. 推荐 C 的取值应大于自举电容 C 的 7 倍左右。
2
3
25. 请为 C 选择温度特性好的电解电容。同时,为 C 选择 0.1 ~ 0.2 μF 温度和频率特性好的 R- 类陶瓷电容。
3
4
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