深入解析 onsemi NFAM3812SCBUT 智能功率模塊

在工業(yè)驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)化等領(lǐng)域，功率模塊的性能和可靠性至關(guān)重要。今天，我們就來深入探討 onsemi 的 NFAM3812SCBUT 智能功率模塊（IPM），看看它有哪些獨(dú)特之處。

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一、模塊概述

NFAM3812SCBUT 是一款高度集成的逆變器功率模塊，它集成了獨(dú)立的高端柵極驅(qū)動(dòng)器、LVIC、六個(gè) SiC MOSFET 以及溫度傳感器（VTS 或熱敏電阻）。這種集成設(shè)計(jì)使得該模塊非常適合驅(qū)動(dòng)永磁同步（PMSM）電機(jī)、無刷直流（BLDC）電機(jī)和交流異步電機(jī)。其 SiC MOSFET 采用三相橋配置，下橋臂有獨(dú)立的源極連接，這為控制算法的選擇提供了極大的靈活性。同時(shí)，功率級(jí)具備欠壓鎖定保護(hù)（UVP）功能，內(nèi)部還提供了用于高端控制的自舉二極管/電阻。

二、主要特性

電氣性能

• 高電壓大電流：支持 1200 V 的耐壓和 50 A 的輸出電流，峰值電流可達(dá) ±100 A，能滿足多種工業(yè)應(yīng)用的需求。
• 低導(dǎo)通電阻：在不同溫度和工作條件下，RDS(ON) 表現(xiàn)出色，例如在 IDS = 50 A，VDD = VBS = 18 V，Tj = 25 °C 時(shí)，典型值為 38 mΩ，最大值為 56 mΩ。
• 快速開關(guān)特性：開關(guān)時(shí)間短，如 ton 典型值為 0.55 μs，toff 典型值為 1.05 μs，能有效降低開關(guān)損耗。

保護(hù)功能

• 欠壓保護(hù)：內(nèi)置欠壓保護(hù)功能，包括控制電源欠壓保護(hù)（UVDDD、UVDDR）和高端控制偏置電壓欠壓保護(hù)（UVBSD、UVBSR），確保模塊在電壓異常時(shí)能及時(shí)保護(hù)自身。
• 短路保護(hù)：具備短路電流保護(hù)功能，當(dāng)檢測(cè)到短路電流時(shí)，能迅速切斷低側(cè) MOSFET 的柵極，防止模塊損壞。

其他特性

• 溫度傳感器：提供溫度傳感器（VTS 輸出或熱敏電阻），可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊溫度，便于進(jìn)行熱管理。
• UL 認(rèn)證：獲得 UL 認(rèn)證（E209204），符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)。
• 無鉛設(shè)計(jì)：該模塊為無鉛器件，符合環(huán)保要求。

三、引腳配置與說明

NFAM3812SCBUT 采用 DIP39 封裝，引腳眾多且功能明確。例如，VS(U) 為 U 相 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的高端偏置電壓地，VB(U) 為 U 相 MOSFET 驅(qū)動(dòng)的高端浮動(dòng)電源電壓等。需要注意的是，帶有括號(hào)的引腳為內(nèi)部連接的虛設(shè)引腳，應(yīng)不連接。

四、絕對(duì)最大額定值與熱阻

絕對(duì)最大額定值

• 逆變器部分：電源電壓 VPN 最大值為 900 V，浪涌電壓 VPN (surge) 可達(dá) 1000 V；漏源電壓 VDS 最大為 1200 V；輸出電流 ID 最大為 ±50 A，輸出峰值電流 IDP 為 ±100 A；功率耗散 PD 在 Tc = 25 °C 時(shí)為 157 W；工作結(jié)溫 Tj 范圍為 -40 ~ 175 °C。
• 控制部分：控制電源電壓 VDD 最大為 20 V，高端控制偏置電壓 VBS 最大為 20 V，輸入信號(hào)電壓 VIN 范圍為 -0.3 ~ VDD + 0.3 V 等。

熱阻

MOSFET 每 1/6 模塊的結(jié)到殼熱阻 Rth(j?c)T 最大值為 0.95 °C/W。

五、電氣特性

逆變器部分

在不同溫度和工作條件下，模塊的各項(xiàng)電氣參數(shù)表現(xiàn)穩(wěn)定。例如，在 VDS = 1200 V，Tj = 25 °C 時(shí)，IDSS 最大值為 1 mA；在 IDS = 50 A，VDD = VBS = 18 V，Tj = 25 °C 時(shí)，RDS(ON) 典型值為 38 mΩ 等。

控制部分

包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電源電流、輸入閾值電壓、過流跳閘電平、欠壓保護(hù)閾值等參數(shù)。例如，靜態(tài) VDD 電源電流 IQDDH 在 VDD(UH, VH, WH) = 18 V，HIN(U,V,W) = 0 V 時(shí)最大值為 0.3 mA。

六、熱敏電阻特性

NFAM3812SCBUT 包含熱敏電阻，在 Tc = 25 °C 時(shí)，電阻 R25 為 47.47 kΩ。通過熱敏電阻可以進(jìn)一步監(jiān)測(cè)模塊的溫度情況。

七、推薦工作條件

• 電源電壓：VPN 推薦范圍為 600 ~ 800 V，VDD 為 13.0 ~ 19.0 V，VBS 為 13.5 ~ 19.5 V。
• 開關(guān)頻率：fPWM 在 -40 °C ≤ Tc ≤ 125 °C，-40 °C ≤ Tj ≤ 150 °C 條件下，推薦值為 60 kHz。
• 允許均方根電流：在 VPN = 600 V，P.F. = 0.8，Tc ≤ 125 °C，Tj ≤ 150 °C 條件下，fPWM = 15 kHz 時(shí)為 23.0 A rms，fPWM = 30 kHz 時(shí)為 27.0 A rms。

八、保護(hù)功能時(shí)間圖表

欠壓保護(hù)

• 低側(cè)：當(dāng)控制電源電壓上升超過 UVDDR 時(shí)，電路開始工作；檢測(cè)到欠壓（UVDDD）時(shí)，MOSFET 關(guān)斷，故障輸出以固定脈沖寬度動(dòng)作；欠壓復(fù)位（UVDDR）后，MOSFET 恢復(fù)正常工作。
• 高側(cè)：控制電源電壓達(dá)到 UVBSR 時(shí)電路開始工作；檢測(cè)到欠壓（UVBSD）時(shí)，MOSFET 關(guān)斷，但無故障輸出信號(hào)；欠壓復(fù)位（UVBSR）后，MOSFET 恢復(fù)正常工作。

短路電流保護(hù)（僅低側(cè)操作）

正常工作時(shí) MOSFET 導(dǎo)通并承載電流；檢測(cè)到短路電流時(shí)，所有低側(cè) MOSFET 的柵極被硬中斷，MOSFET 關(guān)斷，故障輸出以固定脈沖寬度動(dòng)作；故障輸出結(jié)束后，需觸發(fā)下一個(gè)從低到高的信號(hào)，MOSFET 才會(huì)恢復(fù)正常工作。

九、典型應(yīng)用電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

布線

• 各輸入布線應(yīng)盡可能短（小于 2 - 3 cm），以減少干擾。
• 每個(gè)電容器應(yīng)盡可能靠近產(chǎn)品引腳安裝。
• 各布線圖案電感應(yīng)最小化（推薦小于 10 nH），使用表面貼裝（SMD）型分流電阻以減少布線電感。

信號(hào)處理

• 輸入信號(hào)為高電平有效類型，IC 內(nèi)部有 5 k 電阻將每個(gè)輸入信號(hào)線下拉到 GND。采用 RC 耦合電路防止輸入信號(hào)振蕩，RC 時(shí)間常數(shù)應(yīng)在 50 ~ 150 ns 范圍內(nèi)（推薦 R = 100 Ω，C = 1 nF）。

保護(hù)電路

• 短路保護(hù)電路中，RC 時(shí)間常數(shù)應(yīng)在 1.5 ~ 2 s 范圍內(nèi)，并在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行充分評(píng)估。
• 為防止浪涌破壞，緩沖電容器與 P 和 GND 引腳之間的布線應(yīng)盡可能短，推薦在 P 和 GND 引腳之間使用約 0.1 ~ 0.22 μF 的高頻無感電容器。
• 采用齊納二極管或瞬態(tài)電壓抑制器保護(hù) IC 免受浪涌破壞，推薦使用 22 V / 1 W 的齊納二極管。

電容選擇

• VDD 電解電容器推薦約為 VBS 電解自舉電容器的 7 倍。
• 選擇具有良好溫度特性的 VBS 電解自舉電容器。
• 推薦使用 0.1 ~ 0.2 μF 的 R 類陶瓷電容器，具有良好的溫度和頻率特性。

故障輸出

• VFO 輸出為開漏類型，該信號(hào)線應(yīng)通過電阻上拉到 MCU 或控制電源的正極，使 IFO 最大為 1 mA。
• 故障輸出脈沖寬度可通過連接到 CFOD 端子的電容器進(jìn)行調(diào)整。
• 為防止保護(hù)功能錯(cuò)誤，CIN 電容器應(yīng)盡可能靠近 CIN 和 VSS 引腳放置。

十、總結(jié)

NFAM3812SCBUT 智能功率模塊憑借其高集成度、出色的電氣性能、完善的保護(hù)功能和豐富的應(yīng)用特性，為工業(yè)驅(qū)動(dòng)、泵、風(fēng)扇和自動(dòng)化等領(lǐng)域提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇工作條件和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該模塊的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，要注意布線、信號(hào)處理、保護(hù)電路和電容選擇等方面的要點(diǎn)，確保模塊的穩(wěn)定運(yùn)行。大家在使用這款模塊時(shí)，有沒有遇到過什么特別的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。