三菱DIPIPM应用手册-2016.pdf
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第6代超小型DIPIPM应用手册第第6代超小型代超小型DIPIPMPSS*S92E6-AG/PSS*S92F6-AG应用手册应用手册(第一版第一版)SuperMiniDIPIPMVer.6ApplicationNote(Ver.1)第6代超小型DIPIPM应用手册(2/58)版权声明本手册根据三菱电机(日本)的超小型DIPIPMVer.6应用手册(英文版DPH-10537-1)翻译并做部分修改而成。
三菱电机株式会社和三菱电机机电(上海)有限公司拥有本手册内所有资料的版权。
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2016年1月第6代超小型DIPIPM应用手册(3/58)目录第1章第6代超小型DIPIPMTM概述.51.1产品特征.51.2产品功能.51.3目标应用.71.4产品一览.71.5PSS*S92*6系列产品与之前系列产品的区别.7第2章规格与特性.92.1第6代超小型DIPIPM的规格.92.1.1最大额定值.92.1.2热阻.112.1.3电气特性和推荐使用条件.112.1.4机械特性和额定值.142.2保护功能和动作时序.142.2.1短路保护(SC).142.2.2控制电源欠压保护(UV).162.2.3过温保护(仅PSS*S92E6-AG产品).182.2.4温度输出功能VOT(仅对PSS*S92F6-AG来说).192.3外形封装.242.3.1外形封装.242.3.2激光标签.252.3.3管脚说明.262.4安装方法.282.4.1电气距离.282.4.2安装方法和注意事项.282.4.3焊接条件.29第3章系统应用指南.303.1应用指南.303.1.1系统连接.303.1.2接口电路(无光耦接口电路举例,采用1-Shunt电阻).313.1.3接口电路(带光耦隔离接口电路举例).323.1.4采用3-Shunt电阻时的外部短路保护电路.333.1.5信号输入端子和Fo端子的相关电路.333.1.6吸收电路.353.1.7推荐的旁路电阻周边的连线方式.353.1.8PCB布线的注意事项.373.1.9DIPIPM的并联.383.1.10第6代超小型DIPIPM的安全工作区(SOA).383.1.11短路安全工作区(SCSOA).393.1.12功率循环次数.413.2功耗计算和热设计.423.2.1功耗计算.423.2.2温升考虑和计算举例.433.2.3热电偶安装.443.3抗噪声能力与抗静电能力.453.3.1抗噪声能力评估电路.453.3.2对策及注意事项.453.3.3抗静电能力.46第4章自举电路工作原理.474.1自举电路工作原理.474.2开关状态下自举电源的电路电流.484.3自举电路设计注意事项.504.4自举电路的初始化充电.51第6代超小型DIPIPM应用手册(4/58)第5章接口评估板.525.1第6代超小型DIPIPM的接口评估板.525.2接口评估板的布局/布线.535.3电路原理图和元器件清单.54第6章包装处理.566.1包装规格.566.2使用注意事项.57第6代超小型DIPIPM应用手册(5/58)第第1章章第第6代超小型代超小型DIPIPMTM概述概述1.1产品产品特征特征第6代超小型DIPIPM(以下简称DIPVer.6)是一种结构非常紧凑的智能功率模块,它采用便于大批量生产的压注模封装技术,其内部集成了功率硅片、栅极驱动和保护电路,使得它十分适用于交流100240V级小容量电机的变频控制。
DIPVer.6在沿袭第5代超小型DIPIPM的功能(如内置了自举二极管及其限流电阻以及温度模拟量输出)之外,性能得到了更大提升。
DIPVer.6的主要特性如下:
使用了全新的使用了全新的第第7代代CSTBT硅片,硅片,进一步提高进一步提高了了效率;效率;提高提高了了短路保护短路保护动作阈值的动作阈值的精度精度,增加了可用电流区间,增加了可用电流区间;拓宽产品拓宽产品线至线至35A;与原与原有第有第5代代产品产品封装封装完全完全兼容兼容,可直接,可直接替换替换。
关于DIPVer.6与第5代产品的详细不同点,请参照第1.5节。
图1-1-1、图1-1-2分别给出了此类产品的外观照片、内部结构(截面图)。
图1-1-1外观照片图1-1-2内部截面图1.2产品功能产品功能DIPVer.6具有下述功能,而其内部电路框图如图1-2-1所示。
对于P侧IGBT单元:
-驱动电路;-高压电平转移电路;-控制电源欠压(UV)保护电路(没有故障信号输出);-内置自举二极管(BSD)及其限流电阻。
对于N侧IGBT单元:
-驱动电路;-短路(SC)保护电路(采用外接旁路电阻方式);-控制电源欠压(UV)保护电路(有故障信号输出);-通过检测LVIC的温度来实现过温(OT)保护(PSS*S92E6系列产品);-LVIC的温度模拟量输出(PSS*S92F6系列产品)。
故障信号输出:
-对应N侧IGBT的短路保护、N侧的欠压保护以及过温保护(过温保护仅限PSS*S92E6系列产品)。
绝缘导热绝缘导热片片(铜箔铜箔+绝缘树脂绝缘树脂)IGBTICFWDi铝线铝线铜框架铜框架金线金线浇铸树脂浇铸树脂Di第6代超小型DIPIPM应用手册(6/58)IGBT驱动电源:
-DC15V的单电源供电(在采用自举电路方式的情况下)。
控制信号输入接口:
-为施密特触发电路,与3V及5V输入电平兼容,控制逻辑为高电平导通。
UL认证:
UL1557,文件E323585。
图1-2-1内部电路框图DIPIPMHVICVCCUNVNWNFoGNDCINWOUTVOUTUOUTUNVNWNFoVN1VVFBVPVWFBWPUPVNCCINPUVWNWVP1IGBT1Di1IGBT2Di2IGBT3Di3IGBT4Di4IGBT5Di5IGBT6Di6LVICVNCVCCUPCOMVUBUOUTVUSVVBVPVOUTVVSVWBWPWOUTVWSVUFBNVNUVOTVOT自举二极管和限流电阻17引脚被用做温度模拟信号输出端子第7代全栅极CSTBT第6代超小型DIPIPM应用手册(7/58)1.3目标应用目标应用空调器、洗衣机、电冰箱等家用电器的马达驱动,以及小容量工业用电机驱动(电动车除外)。
1.4产品产品一览一览表1-4-1带温度输出功能的第6代超小型DIPIPM产品一览型号
(1)IGBT规格电机容量
(2)绝缘耐压PSS05S92F6-AG5A/600V0.4kW/220VACViso=1500Vrms(正弦波60Hz、1分钟,所有端子短路后与散热器之间。
)PSS10S92F6-AG10A/600V0.75kW/220VACPSS15S92F6-AG15A/600V0.75kW/220VACPSS20S92F6-AG20A/600V1.5kW/220VACPSS30S92F6-AG30A/600V2.2kW/220VACPSS35S92F6-AG35A/600V2.2kW/220VAC表1-4-2内置过温保护功能的第6代超小型DIPIPM产品一览型号
(1)IGBT规格电机容量
(2)绝缘耐压PSS05S92E6-AG5A/600V0.4kW/220VACViso=1500Vrms(正弦波60Hz、1分钟,所有端子短路后与散热器之间。
)PSS10S92E6-AG10A/600V0.75kW/220VACPSS15S92E6-AG15A/600V0.75kW/220VACPSS20S92E6-AG20A/600V1.5kW/220VACPSS30S92E6-AG30A/600V2.2kW/220VACPSS35S92E6-AG35A/600V2.2kW/220VAC
(1)型号名后缀中的“A”表示长管脚型、“G”表示全球化产品。
详情请参考第2章内容。
(2)电机的额定容量是在下述条件下的仿真结果:
VAC=220V,VD=VDB=15V,Tc=100,Tj=125,fPWM=5kHz,P.F.(功率因数)=0.8,电机效率=0.75,电流纹波比=1.05,电机150%过载1分钟。
1.5PSS*S92*6系列产品与系列产品与之前之前系列产品的区别系列产品的区别与DIPVer.4(内置BSD的PS219A*系列)和DIPVer.5(PS219C*)相比,DIPVer.6有些不同,其主要不同点如表1-5-1和表1-5-2所示。
表1-5-1功能与外观的对比项目内置BSD的第4代第5代第6代参照内置自举二极管
(1)内置内置并带限流电阻第4.2节温度保护
(2)OT(-T系列)OT(-AST系列)或温度输出(-AS系列)第2.2.4节冗余端子(与PS2196*对比)(3)增加一个端子(管脚1-B)第2.3节N侧IGBT的发射极端子共发射极/发射极开路发射极开路(3)
(1)DIPVer.5和DIPVer.6系列模块内置了自举二极管(BSD)及其限流电阻,与PS219A*系列产品相比,DIPVer.5和DIPVer.6对自举电容没有限制(当采用单个长脉冲进行初始充电时,PS219A*要求自举电容应不超过22F)。
(2)关于温度保护,DIPVer.5和DIPVer.6有两种功能可选择(两种不同型号的产品):
一种是传统的过温保护(OT),另一种是LVIC温度输出功能(VOT)。
当LVIC的温度超过特定值(典型值120)时,过温保护功能(OT)会自动关断所有N侧IGBT;但温度输出功能(VOT)在此情况下不能自主关断,它需要系统控制器检测VOT输出并在温度达到保护值时将驱动PWM信号置为OFF以关断IGBT。
(3)由于内置了自举二极管,DIPVer.4(内置BSD)、DIPVer.5及DIPVer.6系列模块的局部封装少许改变(仅仅增加了一个冗余端子),但是模块的外形尺寸、管脚定义和管脚数量并无变化。
因此当用它们替代传统的第4代超小型DIPIPM时,只需将PCB板略加修改。
(当替代PS2196*系列产品时,应去掉模块外部的自举二极管及其限流电阻。
另外,由于DIPVer.5和DIPVer.6仅有发射极开路的产品,如果原有PCB中使用的是N侧共发射极的产品,则需要做出相应处理。
)第6代超小型DIPIPM应用手册(8/58)表1-5-2相关参数及推荐工作条件的对比项目符号第4代(内置BSD)第5代第6代额定值520A产品额定值30A、35A产品N侧驱动电源的电路电流ID2.80mA(Max.)3.40mA(Max.)P侧驱动电源的电路电流IDB0.10mA(Max.)0.30mA(Max.)P侧控制电源欠压保护动作电压UVDBt7.0V(Min.)10.0V(Min.)P侧控制电源欠压保护恢复电压UVDBr7.0V(Min.)10.5V(Min.)自举二极管正向压降VF2.8V(Typ.)100mA1.7V(Typ.)10mA1.3V(Typ.)10mA死区时间tdead1.0s(Min.)2.0s(Min.)允许的最小输入脉宽PWIN(on)0.5s(Min.)0.7s(Min.)0.7s(Min.)PWIN(off)
(1)0.5s(Min.)0.7s(Min.)与电流大小相关,具体请参阅对应型号规格书短路触发电平VSC(ref)0.48V0.05V0.48V0.025V
(2)
(1)当输入信号脉宽小于PWIN(off)时,DIPIPM可能延时响应或不响应。
关于延时响应请参考图1-5-1(仅30A/35ADIPVer.6产品,而5A20ADIPVer.6产品可能不响应,具体请参考各产品的规格书)。
图1-5-1输入信号脉宽小于PWIN(off)时的响应延迟示意图(30A/35A产品,仅P侧IGBT)
(2)DIPVer.6的短路触发电平精度提高到了5%,从而具有更宽的过载工作范围。
得益于短路触发电平精度的提升,将短路保护用于电机的退磁保护时,模块可以工作在更宽的过载工作范围内,如图1-5-2所示。
图1-5-2短路触发电平对于更详细的信息和其它特性,请参考相应产品的规格书。
实线:
关断脉宽PWIN(off);开通时间延迟t1。
虚线:
关断脉宽PWIN(off);开通时间延迟t2。
(t1:
正常开关时间)P侧控制输入信号内部IGBT栅极信号输出电流(Ic)t1t2过流保护电平(max.)Ver.6的过载运行电平(max.)(运行最大峰值电流)过流保护电平波动范围(Ver.6是Ver.5的一半。
)Ver.6比Ver.5具有更宽的过载工作范围。
Ver.5的过载运行电平(max.)(运行最大峰值电流)电机输出电流(A)电机的退磁保护电平正常工作范围SC触发电平范围(Ver.6)SC触发电平范围(Ver.5)过载工作范围第6代超小型DIPIPM应用手册(9/58)第第2章章规格与特性规格与特性2.1第第6代超小型代超小型DIPIPM的规格的规格下面以PSS15S92*6-AG(15A/600V)为例来说明第6代超小型DIPIPM的规格,其它型号的具体参数请参考相应的规格书。
2.1.1最大额定值最大额定值PSS15S92*6-AG的最大额定值如表2-1-1所示。
表2-1-1最大额定值逆变部分(InverterPart)项目符号条件定额单位直流母线电源电压VCC施加于P-NU、NV、NW之间450V直流母线电源电压(浪涌)VCC(surge)施加于P-NU、NV、NW之间500V集电极-发射极之间电压VCES600V每个IGBT的集电极电流ICTc=25C(注1)15A每个IGBT的集电极电流(峰值)ICPTc=25C,1ms以内30A集电极功耗PCTc=25C,每个IGBT硅片27.0W结温Tj(注2)-30+150C注1)允许持续流过集电极的直流电流。
注2)DIPIPM内部的功率硅片的最大结温定额是150C(Tc100C)。
但是,为确保DIPIPM的安全运行,其平均结温应被限制在Tj(ave)125C(Tc100C)。
控制/保护部分(Control/ProtectionPart)项目符号条件定额单位控制电源电压VD施加于VP1-VNC、VN1-VNC之间20V控制电源电压VDB施加于VUFB-U、VVFB-V、VWFB-W之间20V控制端子输入电压VIN施加于UP/VP/WP/UN/VN/WN-VNC之间-0.5VD+0.5V故障输出端子电压VFO施加于Fo-VNC之间-0.5VD+0.5V故障输出端子电流IFOFo端子的下沉电流1mA电流检测输入端子电压VSC施加于CIN-VNC之间-0.5VD+0.5V全系统(TotalSystem)项目符号条件定额单位自保护起作用的直流母线电压限制(短路保护能力)VCC(PROT)VD=13.516.5V,逆变部分;Tj=125C,非重复;小于2us400V模块工作壳温TCTc的测试位置如下图所示-30+100C储存温度Tstg-40+125C绝缘耐压Viso60Hz,正弦波,1分钟,所有端子短接后与散热器之间1500VrmsTc的测试位置:
(1)Vcc在无开关动作状态下P-N端子间最大电压。
如果P-N间的电压超过此值,则需要在电路中追加诸如制动电路的抑制母线电压上升的措施。
(7)(5)(6)
(1)
(2)(3)(4)(8)控制端子DIPIPMTc测试点IGBT硅片位置FWD硅片位置散热器面11.6mm3mm功率端子第6代超小型DIPIPM应用手册(10/58)
(2)Vcc(surge)在开关动作状态下P-N端子间的最大浪涌电压,如果P-N间的电压超过此值,则需追加吸收电路来抑制母线电压的浪涌。
(3)VCES内部IGBT和续流二极管的集电极-发射极之间的最大耐压值。
(4)IC允许持续流过集电极的直流电流(Tc=25)。
(5)Tj最大的结温定额是150,但考虑到安全运行,推荐将平均结温限制在125以内。
重复的温度变化Tj会影响模块的寿命即功率循环次数,因此也要依据寿命曲线来进行安全设计。
(6)Vcc(PROT)在短路或过流故障时能够保证IGBT安全关断的最大电源电压(母线电压)。
如果电源电压超过此值,可能损坏功率硅片。
(7)绝缘耐压DIPIPM的所有端子短接后与铜散热面之间的绝缘电压。
如果超小型DIPIPM安装在平板型散热器上,则绝缘耐压为1500Vrms,超过此值,外部端子与散热器之间可能会发生放电现象。
但如果超小型DIPIPM安装在图2-1-1所示的凸型散热器上,由于加大了外部端子和散热器之间的电气距离(推荐2.5mm或以上),绝缘电压可达2500Vrms。
超小型DIPIPM安装在这种凸型散热器上可以通过2500Vrms的UL认证。
图2-1-1凸型散热器的结构(单位:
mm)(8)Tc测量位置Tc(壳温)被定义为指定功率硅片正下方的温度。
请将热电偶放在散热面的指定位置上以测得准确的温度信息。
当P侧和N侧采用不同的控制策略时,最高Tc温度点可能不在上述位置,此时有必要将测量点调整到温度最高的功率硅片正下方。
功率硅片的位置图2-1-2给出了每个功率硅片的位置。
(此图是从激光标签侧看到的俯视图。
)图2-1-2功率硅片位置示意图(3.0)最小2.5最小1.05散热器散热部分(铜表面)最小1.45(1.9)单位:
mm第6代超小型DIPIPM应用手册(11/58)2.1.2热阻热阻表2-1-2给出了PSS15S92*6-AG的热阻。
表2-1-2PSS15S92*6-AG的热阻热阻:
项目符号条件推荐值单位最小值典型值最大值结到壳的热阻(注1)Rth(j-c)QIGBT部分(每1/6模块)-3.7K/WRth(j-c)F续流二极管部分(每1/6模块)-4.5K/W注1:
应采用具有良好热传导性能和长寿命的硅脂均匀地涂抹在DIPIPM和散热器的接触面上,其厚度应为+100m+200m。
DIPIPM和散热器之间的接触热阻(Rth(c-f))由所用硅脂的厚度及其热传导性能决定,做为参考,当硅脂厚度为20m、其热传导系数为1.0W/mK时,Rth(c-f)(每1/6模块)大约是0.3C/W。
上表中的数值是指稳态时硅片的结和壳之间的热阻。
热阻大约在10秒后进入饱和状态,非饱和态时的热阻被称为瞬态热阻,如图2-1-3所示。
Zth(j-c)*为瞬态热阻的标称值(Zth(j-c)*=Zth(j-c)/Rth(j-c)max)。
例如:
PSS15S92*6-AG的IGBT部的瞬态热阻在0.3秒时为3.70.8=3.0K/W.。
瞬态热阻并不适用于恒定电流,仅适用于短时电流(毫秒级),例如:
电机启动时、电机堵转时0.101.00001011IGBTFWDi图2-1-3瞬态热阻典型曲线2.1.3电气特性和推荐使用条件电气特性和推荐使用条件表2-1-3给出了PSS15S92*6-AG典型的静态特性和开关特性。
表2-1-3PSS15S92*6-AG的静态特性和开关特性逆变部分InverterPart(Tj=25C,除非另有注明)项目符号条件推荐值单位最小值典型值.最大值集电极-发射极间饱和压降VCE(sat)VD=VDB=15V,VIN=5VIC=15A,Tj=25C-1.702.05VIC=15A,Tj=125C-1.902.25IC=1.5A,Tj=25C-0.901.10续流二极管正向压降VECVIN=0V,-IC=15A-2.503.00V开关时间tonVCC=300V,VD=VDB=15VIC=15A,Tj=125C,VIN=05V感性负载(上/下桥臂)0.651.051.45stC(on)-0.400.65toff-1.151.60tC(off)-0.150.30trr-0.30-集电极-发射极间泄漏电流ICESVCE=VCESTj=25C-1mATj=125C-10瞬态热阻标称值Zth(j-c)*第6代超小型DIPIPM应用手册(12/58)开关时间的定义及其测试方法如图2-1-4和图2-1-5所示。
开关特性是通过带感性负载的半桥电路测试来得到的。
图2-1-4开关时间的定义图2-1-5测量电路(感性负载)短接A测N侧IGBT,短接B测P侧IGBT图2-1-6典型的开关波形(PSS15S92*6-AG)条件:
VCC=300V,VD=VDB=15V,Tj=125C,Ic=15A,带感性负载的半桥电路表2-1-4给出了PSS15S92*6-AG控制部分的典型特性。
表2-1-4PSS15S92*6-AG的控制/保护特性控制/保护部分Control/ProtectionPart(Tj=25C,其他则另有说明)*项目符号条件推荐值单位最小值典型值.最大值电路电流IDVP1-VNC和VN1-VNC间的总和VD=15V,VIN=0V-2.80mAVD=15V,VIN=5V-2.80IDBVUFB-U、VVFB-V、VWFB-W之间(每路)VD=VDB=15V,VIN=0V-0.10VD=VDB=15V,VIN=5V-0.10短路保护动作电平VSC(ref)VD=15V(注1)0.4550.4800.505VP侧控制电源欠压保护阈值UVDBtTj125C动作电平7.010.012.0VUVDBr复位电平7.010.012.0VN侧控制电源欠压保护阈值UVDt动作电平10.3-12.5VUVDr复位电平10.8-13.0V温度输出(仅PSS15S92F6-AG)(注5)VOT下拉电阻R=5k(注2)LVIC温度=90C2.632.772.91VLVIC温度=25C0.881.131.39V过温保护(仅PSS15S92E6-AG)(注3/5)OTtVD=15V动作温度100120140COTrhLVIC检测的温度动作/复位间的温度差-10-C故障输出端子电压VFOHVSC=0V,Fo端子通过10k电阻上拉至5V4.9-VVFOLVSC=1V,IFO=1mA-0.95V故障输出信号脉宽
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