智与力的完美融合：当FPGA遇到控制功率电子元件

总结了可能使用VECTOPOWER的场合。

考虑到经济问题、物流、特别是全球范围内零配件供应问题，一个渐进的概念是必要的。一切的关键在于要提一种可以应付任何可能出现的问题的通用硬件，并利用合适的软件或参数来实现任何想要的任何功能。如果能对几个重要的方面做周密的考虑，就可以完美实现这一目标。

将FPGA作为控制中心

有相同的拓扑，安装了6个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）来支持从电机控制到DC/DC转换器的各种应用，如此配置将FPGA打造成一个令人心动的控制解决方案。如果FPGA为晶体管产生脉冲波形，还可管理高速控制环路，尤其是进行电流控制，那还会带来特殊的好处。

当前应用中的FPGA观测3个电压量值和3个电流量值，运行控制算法，为晶体管生成栅极信号。循环时间被降至2μs。灵活的固件为支持图2所示所有任务的实现开启了大门。

高速功能与保护

一方面要保证广泛的功能与迅捷敏感的控制，另一方面，尤其是在移动应用领域，还有非常严格的保护要求。此外，还必须考虑到宽泛的温度范围和大量的机械应力，对热循环和可变电负载的高要求也必须纳入考虑范围，更别提关于在波动系统电压下保存运行的约定。

最大限度地利用半导体

在出现短路或类似的高过载问题时，必须在以微秒计的时间内做出适当反应，负载变化通常会在以毫秒计的时间内导致半导体内部产生热量。对所用的半导体有详细并且最准确的认知是必需的。精密的方法和基于模型的计算是在FPGA内部硬实时完成的。基于这种处理，同一个半导体的输出功率最多可以增加20%，具体数值根据应用和工作点而定。这对于应用来说非常有利，不但能节约成本，还能改善尺寸和重量，对同时要求实现极端运行条件高级保护的应用场合尤其有利。

满足所有这些要求的一个先决条件是要有一个确定性的、可预测的，并且快到即使在极端变化情况下也足以防止负载电流的瞬态过冲的电流控制回路。

这个特定的要求，用普通的处理器是无法满足的。因此，所提出的解决方案基于FPGA，可让使用高鲁棒状态的机器实现多个进程并行。

利用时间常数增大峰值功率

特别是传动系统，在短短几秒钟内需要很高的峰值功率。即使在主动扭矩控制期间也能快速改变开关频率的能力，让获取更高的峰值功率变为可能。因此，也可以使用较小的IGBT，成本也会随之降低。作为优化手段，必须选择合适的开关频率，要将不同的参数纳入考虑范围。开关频率提高会导致纹波电流减少，电机损耗也会因此降低，同时还会导致功率半导体开关损耗增大。

对比可以计算的热关系，开关频率从9kHz下降到4.5kHz的变化可令输出功率增加40%～45%。

基于FPGA的控制可以在不引入扭矩扭曲的情况下快速改变开关频率。在正常的操作中，频率保持在9kHz，但可以为某些工作点改变为4.5k H z。功率半导体器件的热时间常数通常是在低于100ms的范围，而电动机的功率半导体器件热时间常数则超过100s。

在高加速度时刻或需要管理棘手的驱离（driveaway）状况时，可以考虑这种相关性，让开关频率降低几秒钟。

减少PM机器的磁铁用量

基于FPGA的控制策略，提高了功率电子器件设计的成本效益，为优化永磁电动机创造了更多的可能。采用的磁铁对磁性超载非常敏感，几微秒时间的超载都足以造成不可逆转的局部消磁，所以电机设计师要创建相应的磁储备。如果能够在即使Ims的时间内也能准确地控制电流，那么同样尺寸、扭矩、动率和效率的电动机设计，磁性材料用量可以减少30%。

鉴于对原材料的战略依赖性及磁铁高昂的价格，可以看出节约这方面的成本有其经济必要性。

核心半导体部件

功率半导体是控制能量流的核心部件。为了达到预期目标，就必须解决电气、机械和散热问题。在开发逆变器过程中，必须将半导体、散热器和应用的典型负荷分布视为一个不可分割的整体进行考虑。要最准确地评估芯片的温度和温度波动，就务必对此装置有深入的了解。通常，半导体制造商会提供必要的信息，供动力系统设计师根据应用所涉及的温度波动，预测半导体可以支撑多少个负载循环。知晓负载分布和每个单位时间可以预期的循环次数后，就可以估计工作寿命。

一台公共交通使用的全电动公交车，使用寿命是15年，要工作60000个小时，行驶100万公里。

为满足该需求，EconoDU ALTM3模块被启用。现有设计已经过彻底的升级，机械强度、电气特性和热连接有所改善。图3很好地反映了变动的细节及其对设计的影响。

互连技术

以前电源端子是插入塑料框里的，新设计现在采用注塑端子（A），提高了抗振性。以前，有时端子的微运动会诱发额外的机械应力，对将端子连接到DCB的接合线造成影响。

提高热性能与电气性能的一个手段是采用了新的系统键合方式。系统键合装置是用于将模块基板彼此互连或提供DCB和端子之间电气连接的所有导线。（B）是新系统键合一个部分的详细示意图。原来采用的是铝线，现在则采用铜线连接。电导率的提升，使器件可以在不增加电线数量、不占据更多空间的情况下处理更大的电流。电阻减小也带来了键合线升温幅度下降的结果。因此，使用这种材料有助于在即使电流更大的情况下，也令温度保持在模块构造适用的温度限制范围内。

进一步的改进源于用PressFIT技术取代焊点。在苛刻的应用场合，由于温度波动和振动引起的机械磨损，焊点会随着时间的推移而恶化。持续的恶化最终会导致所谓的冷焊料斑点。这些斑点存在间歇接触不良或脱焊的风险。

最近推出的PressFIT技术（C）形成了对PcB的连接，这个连接被认为是冷焊点。这是一个气密型低电阻高机械强度互连。相较于典型的焊剂或弹簧力接触，PressFIT针脚令连接的可靠性增加了100倍。

热连接

热互连方面的改进是通过对功率模块采用一种专用的热界面材料（TIM）来实现的。这个材料层（D）在功率模块和散热器之间形成热链接。新材料组成由一个承载热活性填料成分的相变载流子基质构成。加工过程已成为制造流程中一个完全自动化的环节，通过一个高度精密的光学检测系统进行监测。这套浩大的程序确保了预定数量的材料被加工到正确的位置。图3所示图形与底板的宏观几何形状相关联。改变蜂窝的大小会导致局部施料量变化。未覆盖TIM的放大区域容许直接金属对金属接触，为进一步改善热性能创造了条件。

大量的测试辅以多年的现场测试，证明新化合物具备优秀的热品质和长期稳定性。关键的失效机理“热油脂泵出”现已不复存在。

增强系统焊接

一个主要的创新（尤其是对支持商业和农用车（CAV）应用的模块而言）是高可靠性的系统焊接工艺。系统焊点构成了载体基板（DCB）与模块底板之间的连接，略微偏离热膨胀系数都会导致焊点内部出现热机械应力，从而导致分层。而这种分层会扰乱传递路径，因为可用的导热区域缩小了。而导热区域面积缩小又会导致芯片温度更高，从而形成一种正反馈，导致温度波动更大，机械应力增加。

图4显示了基于超声波成象对系统焊点的评价。这些图像是循环试验过程中的部分监测图像。图4中还提供了一个工业级器件的常见焊点作为比较对象。

工业用的IHM型模块要达到的目标是3000个循环。而采用了新工艺的EconoDUALTM3，在同样的条件下完成了超过35000个循环，超过预定目标10倍。

1+1>2

逆变器的开发过程中集合了众多不同学科的专业技术知识。只有将测量和控制技术、软件编程、机械问题、元件选择和热管理融合成一个密不可分的整体后，具备卓越功能的出色器件才得以问世。

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