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FSBB20CH60CT
Motion SPM® 3 系列
特性
概述
• 通过 UL 第 E209204 号认证 (UL1557)
FSBB20CH60CT 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。这些模块综合优化了内置 IGBT
的栅极驱动以最小化电磁干扰和能量损耗。同时也提供多
重模组保护特性,集成欠压闭锁,过流保护和故障报告。
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。
• 600 V - 20 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
• 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-9044 - Motion SPM® 3 Series Users Guide
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
FSBB20CH60CT
FSBB20CH60CT
SPMCC-027
Rail
10
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1
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FSBB20CH60CT Motion SPM® 3 系列
2014 年 10 月
FSBB20CH60CT Motion SPM® 3 系列
集成的功率功能
• 600 V - 20 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 12 和图 13 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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FSBB20CH60CT Motion SPM® 3 系列
引脚描述
引脚号
引脚名
1
VCC(L)
IC 和 IGBT 驱动的低端公共偏压
引脚描述
2
COM
公共电源接地
3
IN(UL)
低端 U 相的信号输入
4
IN(VL)
低端 V 相的信号输入
5
IN(WL)
低端 W 相的信号输入
6
VFO
7
CFOD
设置故障输出持续时间的电容
8
CSC
短路电流感测输入电容 (低通滤波器)
9
IN(UH)
高端 U 相的信号输入
10
VCC(H)
IC 和 IGBT 驱动的高端公共偏压
11
VB(U)
U 相 IGBT 驱动的高端偏压
12
VS(U)
U 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
13
IN(VH)
高端 V 相的信号输入
14
VCC(H)
IC 和 IGBT 驱动的高端公共偏压
15
VB(V)
V 相 IGBT 驱动的高端偏压
16
VS(V)
V 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
17
IN(WH)
高端 W 相的信号输入
故障输出
18
VCC(H)
IC 和 IGBT 驱动的高端公共偏压
19
VB(W)
W 相 IGBT 驱动的高端偏压
20
VS(W)
W 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
21
NU
U 相的直流输入负端
22
NV
V 相的直流输入负端
23
NW
W 相的直流输入负端
24
U
U 相输出
25
V
V 相输出
26
W
W 相输出
27
P
直流输入正端
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FSBB20CH60CT Motion SPM® 3 系列
内部等效电路与输入 / 输出引脚
(19) VB(W)
(18) VCC(H)
(17) IN(WH)
(20) VS(W)
(15) VB(V)
(14) VCC(H)
(13) IN(VH)
(16) VS(V)
(11) VB(U)
(10) VCC(H)
(9) IN(UH)
(12) VS(U)
(8) CSC
(7) CFOD
(6) VFO
(5) IN(WL)
(4) IN(VL)
(3) IN(UL)
(2) COM
(1) VCC(L)
P (27)
VB
VCC
COM
IN
OUT
VS
W (26)
VB
VCC
COM
IN
OUT
VS
V (25)
VB
VCC
COM
IN
OUT
VS
U (24)
C(SC) OUT(WL)
C(FOD)
NW (23)
VFO
IN(WL) OUT(VL)
IN(VL)
NV (22)
IN(UL)
COM
VCC
OUT(UL)
VSL
NU (21)
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 以及相应的续流二极管和驱动 IC 组成。
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(TJ = 25°C, 除非另有说明。)
逆变器部分
符号
参数
VPN
VPN (浪涌)
工作条件
电源电压
施加在 P - NU, NV, NW 之间
电源电压 (浪涌)
施加在 P - NU, NV, NW 之间
VCES
集电极 - 发射极之间电压
± IC
单个 IGBT 的集电极电流
± ICP
单个 IGBT 的集电极电流 (峰值)
额定值
单位
450
V
500
V
600
V
TC = 25°C, TJ 150°C
20
A
TC = 25°C, TJ 150°C, 脉冲宽度小于 1 ms
40
A
PC
集电极功耗
TC = 25°C,单个芯片
TJ
工作结温
(注 1)
57
W
- 40 ~ 150
°C
注:
1. Motion SPM® 3 产品中集成的功率芯片的最大结温额定值为 150°C (当 TC 125°C)。
控制部分
符号
额定值
单位
VCC
控制电源电压
参数
施加在 VCC(H), VCC(L) - COM 之间
工作条件
20
V
VBS
高端控制偏压
施 加在 VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V), VB(W) VS(W)
20
V
VIN
输入信号电压
施 加在 IN(UH), IN(VH), IN(WH), IN(UL), IN(VL),
IN(WL) - COM 之间
-0.3 ~ VCC + 0.3
V
VFO
故障输出电源电压
施加在 VFO - COM 之间
-0.3 ~ VCC + 0.3
V
IFO
故障输出电流
VFO 引脚处的灌电流
5
mA
VSC
电流感测输入电压
施加在 CSC - COM 之间
-0.3 ~ VCC + 0.3
V
额定值
单位
600
V
0.5
A
自举二极管部分
符号
参数
VRRM
工作条件
最大重复反向电压
IF
正向电流
TC = 25°C, TJ 150°C
IFP
正向电流 (峰值)
TC = 25°C, TJ 150°C 脉冲宽度小于 1 ms
TJ
工作结温
2.0
A
-40 ~ 150
°C
额定值
单位
400
V
-40 ~ 125
°C
整个系统
符号
VPN(PROT)
参数
工作条件
自我保护电源电压限制
(短路保护能力)
VCC = VBS = 13.5 ~ 16.5 V
TJ = 150°C, 非重复性 , < 2 μs
模块壳体工作温度
-40°C TJ 150°C, 见图 2
TC
TSTG
存储温度
VISO
绝缘电压
60 Hz,正弦波形,交流 1 分钟,连接陶瓷基
板到引脚
-40 ~ 125
°C
2500
Vrms
热阻
符号
Rth(j-c)Q
参数
结点 - 壳体的热阻
Rth(j-c)F
工作条件
最小值 典型值 最大值
单位
逆变器 IGBT 部分 (每 1 / 6 模块)
-
-
2.16
°C / W
逆变器 FWD 部分 (每 1 / 6 模块)
-
-
3.0
°C / W
注:
2. 关于壳体温度 (TC) 的测量点,参见图 2。
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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
VCE(SAT)
工作条件
集电极 - 发射极间饱和电压 VCC = VBS = 15 V
VIN = 5 V
VF
最小值 典型值 最大值 单位
IC = 20 A, TJ = 25°C
-
-
2.2
V
IF = 20 A, TJ = 25°C
-
-
2.4
V
FWD 正向电压
VIN = 0 V
开关时间
VPN = 300 V, VCC = VBS = 15 V
IC = 20 A
VIN = 0 V 5 V, 电感负载
(注 3)
-
0.80
-
μs
-
0.20
-
μs
-
0.35
-
μs
-
0.10
-
μs
-
0.10
-
μs
-
0.55
-
μs
-
0.35
-
μs
-
0.45
-
μs
tC(OFF)
-
0.15
-
μs
trr
-
0.15
-
μs
-
-
1
mA
HS
tON
tC(ON)
tOFF
tC(OFF)
trr
LS
VPN = 300 V, VCC = VBS = 15 V
IC = 20 A
VIN = 0 V 5 V, 电感负载
(注 3)
tON
tC(ON)
tOFF
ICES
集电极 - 发射极间漏电流
VCE = VCES
注:
3. tON 和 tOFF 包括模块内部驱动 IC 的传输延迟时间。tC(ON) 和 tC(OFF) 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。
控制部分
符号
IQCCL
参数
VCC 静态电源电流
IQCCH
工作条件
VCC = 15 V
IN(UL, VL, WL) = 0 V
最小值 典型值 最大值
单位
VCC(L) - COM
-
-
23
mA
VCC = 15 V
VCC(H) - COM
IN(UH, VH, WH) = 0 V
-
-
600
μA
-
-
500
μA
IQBS
VBS 静态电源电流
VBS = 15 V
VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V),
IN(UH, VH, WH) = 0 V VB(W) - VS(W)
VFOH
故障输出电压
VSC = 0 V, VFO 电路:4.7 k 至 5 V 上拉
4.5
-
-
V
VSC = 1 V, VFO 电路:4.7 k 至 5 V 上拉
-
-
0.8
V
VFOL
短路电流触发电平
VCC = 15 V (注 4)
0.45
0.50
0.55
V
过温保护
LVIC 的温度
-
160
-
°C
△ TSD
过温保护迟滞
LVIC 的温度
-
5
-
°C
UVCCD
电源电路欠压保护
检测电平
10.7
11.9
13.0
V
UVCCR
复位电平
11.2
12.4
13.4
V
UVBSD
检测电平
10
11
12
V
VSC(ref)
TSD
复位电平
10.5
11.5
12.5
V
tFOD
故障输出脉宽
CFOD = 33 nF (注 5)
1.0
1.8
-
ms
VIN(ON)
导通阈值电压
-
-
V
关断阈值电压
施加 在 IN(UH), IN(VH), IN(WH), IN(UL), IN(VL),
IN(WL) - COM 之间
2.8
VIN(OFF)
-
-
0.8
V
UVBSR
注:
4. 短路电流保护仅作用于低端。
5. 故障输出脉宽 tFOD 取决于电容 CFOD 的值,可采用下面的近似公式进行计算:CFOD = 18.3 x 10-6 x tFOD [F]
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电气特性
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100% I C 100% I C
trr
V CE
IC
IC
V CE
V IN
V IN
0
tON
tOFF
tC(ON)
V IN(ON)
tC(OFF)
V IN(OFF)
10% IC 90% I C 10% V CE
10% V CE
10% I C
(b) turn-off
(a) turn-on
图 4. 开关时间的定义
SWITCHING LOSS(ON) VS. COLLECTOR CURRENT
SWITCHING LOSS(OFF) VS. COLLECTOR CURRENT
1300
800
VCE=300V
VCC=15V
VIN=5V
1000
TJ=25℃
TJ=150℃
900
SWITCHING LOSS, ESW(OFF) [uJ]
SWITCHING LOSS, ESW(ON) [uJ]
1200
1100
800
700
600
500
400
300
200
VCE=300V
VCC=15V
VIN=5V
TJ=25℃
600
TJ=150℃
700
500
400
300
200
100
100
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
22
COLLECTOR CURRENT, Ic [AMPERES]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
COLLECTOR CURRENT, Ic [AMPERES]
图 5. 开关损耗特性 (典型值)
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符号
参数
工作条件
最小值
典型值 最大值
单位
VF
正向电压
IF = 0.1 A, TC = 25°C
-
2.5
-
V
trr
反向恢复时间
IF = 0.1 A, TC = 25°C
-
80
-
ns
Built-in Bootstrap Diode VF-IF Characteristic
1.0
0.9
0.8
0.7
IF [A]
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
o
TC=25 C
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
VF [V]
图 6. 内置自举二极管特性
注:
6. 内置自举二极管其阻抗特性约为 15 。
推荐工作条件
符号
参数
工作条件
VPN
电源电压
施加在 P - NU, NV, NW 之间
VCC
控制电源电压
VBS
高端偏压
最小值 典型值 最大值
300
400
V
施加在 VCC(H), VCC(L) - COM 之间
13.5
15.0
16.5
V
施加在 VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V),
VB(W) - VS(W)
13.0
15.0
18.5
V
-1
-
1
V / μs
2
-
-
μs
-
20
kHz
4
V
dVCC / dt, 控制电源波动
dVBS / dt
tdead
防止桥臂直通的死区时间
每个输入信号
fPWM
PWM 输入信号
-40°C TC 125°C, -40°C TJ 150°C
-
VSEN
电流感测产生的电压
施加在 NU, NV, NW - COM 之间
(包括浪涌电压)
-4
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单位
-
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FSBB20CH60CT Motion SPM® 3 系列
自举二极管部分
参数
安装扭矩
器件平面度
工作条件
安装螺钉:M3
最小值 典型值 最大值
建议 0.62 N•m
0.51
见图 7
重量
单位
0.62
0.80
N•m
0
-
+150
μm
-
15.00
-
g
(+)
(+)
图 7. 平面度测量位置
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机械特性和额定值
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保护功能时序图
Input Signal
Protection
Circuit State
RESET
SET
RESET
UVCCR
a1
Control
Supply Voltage
a6
UVCCD
a3
a2
a7
a4
Output Current
a5
Fault Output Signal
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 : 故障输出工作启动。
a6 : 欠压复位 (UVCCR)。
a7 : 正常工作:IGBT 导通并加载负载电流。
图 8. 欠压保护 (低端)
Input Signal
Protection
Circuit State
RESET
SET
RESET
UVBSR
Control
Supply Voltage
b1
UVBSD
b5
b3
b6
b2
b4
Output Current
High-level (no fault output)
Fault Output Signal
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:IGBT 导通并加载负载电流。
图 9. 欠压保护 (高端)
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c6
Protection
Circuit State
SET
Internal IGBT
Gate - Emitter Voltage
c3
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Lower Arms
Control Input
c7
RESET
c4
c2
SC
c1
c8
Output Current
SC Reference Voltage
Sensing Voltage
of Shunt Resistance
Fault Output Signal
c5
CR Circuit Time
Constant Delay
(包含外部分流电阻和 CR 连接)
c1 : 正常工作:IGBT 导通并加载负载电流。
c2 : 短路电流感测 (SC 触发)。
c3 : IGBT 栅极硬中断。
c4 : IGBT 关断。
c5 : 故障输出延时工作启动:故障输出信号的脉宽通过外部电容 CFO 设置。
c6 : 输入 “LOW”:IGBT 关断状态。
c7 : 输入 “HIGH”:IGBT 导通,但是在故障输出有效的时间内, IGBT 不导通。
c8 : IGBT 关断状态。
图 10. 短路电流保护 (仅适用于低端的工作)
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+5 V
SPM
RPF = 4.7 ㏀
100 Ω
IN(UH) , IN(VH) , IN(WH)
100 Ω
MCU
IN (UL) , IN (VL) , IN(WL)
100 Ω
1 nF
VFO
CPF = 1 nF
1 nF
1 nF
COM
图 11. 推荐的 MCU I/O 接口电路
注:
1. 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典型值为 5 k 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。
2. 逻辑输入与标准 CMOS 或者 LSTTL 的输出兼容。
These values depend on PWM control algorithm.
One-Leg Diagram of
Motion SPM 3 Product
P
15 V
0.1 µF
22 µF
Vcc
VB
IN
HO
COM VS
Inverter
Output
Vcc
1000 µF
1 µF
IN
OUT
COM VSL
N
图 12. 推荐的自举工作电路和参数
注:
3. 在 VCC - COM 之间的陶瓷电容应大于 1 μF,并且应尽可能靠近 Motion SPM 3 产品的引脚。
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(19) V B(W )
(18) V CC(H)
RS
C BS
Gating WH
C BSC
(17) IN(WH)
(20) V S(W )
C PS
(15) V B(V)
(14) V CC(H)
RS
C BS
Gating VH
C BSC
(16) V S(V)
C PS
M
C
U
(13) IN (VH)
(11) V B(U)
(10) V CC(H)
RS
C BSC
C BS
Gating UH
(9) IN (UH)
(12) V S(U)
C PS
P (27)
VB
VCC
OUT
COM
IN
W (26)
VS
VB
VCC
OUT
COM
IN
VS
V (25)
M
VB
VCC
C DCS
OUT
COM
IN
VS
Vdc
U (24)
RF
R PF
(8) CSC
C SC
(7) C FOD
RS
C FOD
Fault
Gating WL
Gating VL
Gating UL
(6) V FO
RS
(5) IN(WL)
RS
(4) IN (VL)
RS
(3) IN(UL)
C BPF
C PS C PS C PS
(2) COM
C PF
(1) V CC(L)
C SP15
C(SC)
OUT(WL)
C(FOD)
N W (23)
R SW
VFO
IN(WL) OUT(VL)
IN(VL)
NV (22)
R SV
IN(UL)
COM
OUT(UL)
VCC
VSL
N U (21)
R SU
C SPC15
Input Signal for
Short-Circuit Protection
R FW
W-Phase Current
V-Phase Current
U-Phase Current
R FV
R FU
C FW
CFV
C FU
图 13. 典型应用电路
注:
1. 为了避免故障,应尽可能缩短每个输入端的连线 (小于 2-3 cm)。
2. 因为 Motion SPM® 3 产品内部集成了一个具有特殊功能的 HVIC,接口电路与 MCU 端口的直接耦合是可行的,不需要任何光耦合器或变压器隔离。
3. VFO 输出是集电极开路型。该信号线应当采用 4.7 k 电阻上拉至 5 V 电源的正极。(请参考图 11)。
4. 推荐 CSP15 的取值应大于自举电容 CBS 的 7 倍左右。
5. VFO 输出脉宽取决于连接在 CFOD (引脚 7)和 COM(引脚 2)之间的外部电容(CFOD)。(示例:若 CFOD = 33 nF,则 tFO = 1.8 ms(典型值))具体计算方法请参考说明 5。
6. 输入信号为高电平有效。在 IC 中,有一个 5 k 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。 RSCPS 时间常数应该选择在 50 ~ 150 ns
范围内。 CPS 不应低于 1 nF (推荐 RS = 100 , CPS = 1 nF)。
7. 为避免保护功能出错,应尽可能缩短 RF 和 CSC 周围的连线。
8. 在短路保护电路中, RFCSC 的时间常数应在 1.5 ~ 2.0 μs 的范围内进行选择。
9. 每个电容都应尽可能地靠近 Motion SPM 3 产品的引脚安装。
10. 为防止浪涌的破坏,应尽可能缩短滤波电容和 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。
11. 在各种家用电器设备中,几乎都用到了继电器。在这些情况下, MCU 和继电器之间应留有足够的距离。
12. CSPC15 应大于 1 μF,并尽可能靠近 Motion SPM 3 产品的引脚安装。
© 2009 飞兆半导体公司
FSBB20CH60CT Rev. C3
13
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FSBB20CH60CT Motion SPM® 3 系列
+5 V +15 V
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1
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