高集成汽車功率模塊改進汽車電氣化設計

很少有其它應用場所和車輛行駛環境一樣，對各種電子元器件的要求異常嚴苛，它往往意味著如何讓用于汽車或卡車的電機設計實現更高的耐用性、可靠性和高效率將成為一項嚴格的挑戰。例如，機架式電動助力轉向系統可能會面臨超過100℃的環境溫度，以及高沖擊和振動負載，并且還會接觸到石油產品和鹽水、噴霧等 ——所有這些都要求提供150 A或更高的電機相電流，同時還要求損耗能夠達到最小。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，因此針對特殊設計查找合適的組件就顯得尤為重要。

目前，出現了一種趨勢有助于汽車設計師改進電氣化，即日益普遍采用的高度集成汽車功率模塊（APM，Automotive Power Modules），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，使設計更為緊湊的實現方式。

APM功率模塊的構成

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，這很容易在設計中實現。例如，飛兆半導體的FTCO3V455A1就是一款符合汽車應用要求的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、高效率操作的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0.5 毫歐精密分流電阻，可提供電流反饋，實現電機控制和過流保護。另外，該汽車功率模塊內部還設有一個溫度感測NTC，用于監控逆變器的發熱情況。和其他制造商APM模塊的設計原理一樣，這款功率模塊可提供不同的電路組合——設計人員可使用APM汽車功率模塊代替分立式設計，由此創建出一個尺寸更小、能夠提供更高功率密度的系統。

在實際應用中，APM功率模塊通常被直接安裝在電機外殼表面，允許PCB僅沿模塊一側連接至信號引腳。

減少機械連接，提升熱性能

在使用分立式封裝組件開發的逆變器中，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的熱性能緊密相關，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，要進行的唯一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功率模塊實現的簡化機械接口設計可獲得極好的熱性能。如圖2所示，它顯示出對于逆變器的所有六個 MOSFET，從結至外殼以及通常從結至散熱片的瞬態熱阻，結至散熱片的熱阻體現為采用30 mm厚系數為2.1 W/（m-K）的導熱材料。

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極高功率密度的封裝。

其它性能優勢

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、走線電阻和柵極驅動電路電感，以及更高的熱阻（結-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，由此將電動系統的應用領域擴大至重型車輛。

結論

APM功率模塊可用于各種汽車電子子系統，尤其適用于電控助力轉向、油和水泵，以及冷卻風扇應用中。汽車電子設計工程師充分利用現成的APM功率模塊，將能夠更好地實現汽車子系統的電源管理功能。APM功率模塊以更小的尺寸達到更高的功率密度，并且最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。