摘要：  电路板设计对含有快速开关器件的部件布局影响较大，除此之外，电流变化率大的电流回路面积的大小对智能功率模块最大限度地减少了电流回路面积和相应的寄生成分。而且，这种模块需要的外接部件极少，在设计上就考虑了满足EMC要求，并简化了变频器 的设计。变频器中所选半导体器件的稳健性也有影响。

关键字：  电路板，  IC，  驱动，  马达

本文将探讨电路布局的细微差别和优化电路板布局以减少整体系统寄生效应的途径，并分别讨论利用分立元件实现的方法，以及将各个IC集成为一个模块结构的方法。由于能效是一个重要的设计考虑因素，因此，本文将探讨使用一些能够降低整体设计功耗和尺寸的重要价值的方法。

布局约束因素

现今的可调速驱动电路都采用变频器来调整输出电流，以满足三相马达的要求。变频器的形状大小通常会受到应用的限制。在许多情况下，电路板与马达靠得很近，而马达构造的高度也会受限。另外，所用高功率半导体器件的物理性质和所选封装的形状也要求电路板上有足够的位置空间。功率半导体开关工作期间产生的电压、电流交叠会造成损耗，必须将其消除。虽然功率耗散问题可以通过加设散热片而得到改善，但这也会限制半导体器件在电路板上的布局安排。

变频器是达到EcoDesign节能要求的关键技术。电力科学研究院(Electric Power Research Institute)的研究表明，采用变频器的马达比无变频器的马达节能多达40%。无论是感应马达、永磁同步马达，还是无刷直流马达，都可由变频器为其产生正弦电流。为此，开关频率必须比变频器的可调输出频率高几个数量级。而经脉冲宽度调制的输出电压则会施加在电感性负载上。因此，输出电流与电压的平均值成正比。开关频率越高，对变频器便越有利;而驱动的扭矩波动越小，动态响应性能便更高，噪声也会变得更低。这就要求开关速率快，而开关速率快意味着di/dt 和 dv/dt的变化率通常都很高。因此，电路寄生就成为一个大问题，设计人员必须努力解决这个问题，才能满足目前和未来的EMC标准要求。

成本是电路布局必须考虑的另一个约束因素。许多情况下，都采用双面电路板。而电路板上的不同区域常常只能使用一种焊接工艺。就提高成本效益而言，表面贴装半导体器件是越来越受欢迎的解决方案。

设计考虑因素

目前大功率半导体器件(如IGBT和MOSFET)的发展趋势是在提升性能的前提下不断缩小芯片尺寸。减小芯片尺寸能减少器件的寄生电容，从而提高开关速率。因此，深入研究电路板上的关键回路越来越重要。图1为电压源变频器(voltage source inverter， VSI)的两种典型开关工作方式的简化示意电路。在开关频率受限的大电流应用中，IGBT是最受欢迎的器件。左图所示为从高压侧(HS)续流二极管到低压侧IGBT的换流。电流最初是在高压侧二极管和相应反相半桥的IGBT形成的续流通道中。

一旦低压侧栅极驱动电路导通了IGBT，就会有短路电流经过高压侧二极管和低压侧IGBT。其结果是二极管电流降低，IGBT电流相应增加(自然换相：1到2)，在开关期间，电感性负载的电流可视为常数。因此，杂散部件与该通道无关。开关速率由低压侧IGBT的导通和半桥的杂散电感来决定。要实现从低压侧IGBT到高压侧续流二极管的反向换流，低压侧IGBT上的压降必须大于直流总线电压，以导通续流二极管。因此，IGBT在与二极管换流(强制换相：2到1)之前必须能同时承受高电压和大电流。

在图1中，电压源变频器的临界电流路径被标为红色阴影，其特征是di/dt变化率高，这个特征也表现在对应的栅极驱动电路上。要保证栅极驱动电路安全地工作，就要最大限度地减小杂散电感。尤其是高压侧栅极驱动电路，存在一个由低压侧二极管和电流通道上的阻性和感性压降所引起的，且幅度超过VS最小允许电压的负压，会导致电路工作异常。

　　图1：简化的换向电路

其中一个解决方法是通过增加栅极电阻来降低开关速率，然而这却会大幅增加开关损耗。在这情况下便需要优化电路板布局，充分利用电压源变频器的整体性能。为了去除功率区和信号区的耦合，两个区域的接地应当分开。栅极驱动器应尽可能靠近IGBT，且不要有任何回路或偏差。微控制器和栅极驱动之间的信号通道不是非常关键。分立的IGBT的管脚引线应尽可能短，以最大限度地减少寄生电容和电感。封装在一起的6个IGBT和栅极驱动器的安排需要周密考虑。此外，散热片上的器件需要配备适当的绝缘片。许多情况下，电路板的边沿都需要有大块的散热片。

为了克服以上约束，最好采用智能功率模块(intelligent power module (IPM)，也称为Smart Power Module (SPM®))。图2所示为一个典型的全封闭模块，它包含一个完整的三相电压源变频器，以及相应的栅极驱动器和保护电路。采用这种模块比分立元件方案节省电路板空间多达50%。例如，TinySMD模块的整体尺寸仅29mm x 12mm。由于它的封装尺寸小，并内置了三个半桥和栅极驱动器，因而可将杂散成分减至最少。由于所有关键回路都在模块内，在开发SPM期间可以很好地调节器件性能，从而满足变频器的要求。尤其是这种模块需要的外接部件极少，在设计上就考虑了EMC的要求。其峰值和平均EMC干扰强度比传统设计低很多。

　　图2：智能功率模块

与电压源变频器的分立元件方案类似，采用智能功率模块时也要注意外部元件的布局安排。图3所示为针对Motion-SPMTM应用的一些建议。由于电压源变频器的开关速率很快，信号接地和功率接地必须分开。两种接地在15V Vcc电容处互接。Vcc电容和功率接地之间的通道要狭窄，以去除耦合。为防止电涌造成破坏，引脚P与功率接地之间应当有一个低电感电容。另外，由于电压源变频器和马达之间的长引线会造成高压反射，因此一些SPM产品配备了外接栅极电阻来调节开关速率和最大限度地减少反射。

　　图3：布局建议

元件安装考虑因素

除TinyDIP/SMD外，SPM的表面都会有一定的翘曲。图4为这种翘曲的一个夸张示意。模块是用一些从表面中间穿出的螺丝紧固在散热片上。如果安装恰当，这种凸状表面能保证有足够的热量从模块传递到散热片。如果紧固螺丝用力不均，就可能在模块内产生应力，导致模块破损或性能下降。建议采用图4所示的螺丝紧固顺序(先按1到2的顺序预紧固，再按2到1的顺序最终紧固)。通常，预紧固扭矩为最大额定紧固扭矩的25%。只要散热片与器件紧贴好了，就可通过SPM的内置热敏电阻获取散热片的温度，从而简化电路板的设计。

　　图4：模块安装翘曲的夸大示意图

图5所示为针对小型化和制造简便进行优化的盒状变频器可能采用的一种构造。器件的外壳背面可用于冷却。这种模块直接安装在散热片上，同时可借助散热片完全固定外壳。为此，模块必须反过来安装。对于在高功率因数下输出功率仅90W左右的TinySMD SPM，则不需要散热片，因而可简化设计。

结论

电路板设计对含有快速开关器件的部件布局影响较大，除此之外，电流变化率大的电流回路面积的大小对智能功率模块最大限度地减少了电流回路面积和相应的寄生成分。而且，这种模块需要的外接部件极少，在设计上就考虑了满足EMC要求，并简化了变频器 的设计。变频器中所选半导体器件的稳健性也有影响。