FNB51060TD1_技术文档

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2016 年1 月

FNB51060TD1

®

Motion SPM 55 系列

特性

概述

• 通过UL 第E209204 (UL1557)

FNB51060TD1 是一个Motion SPM 55 模块，为交流感

应、BLDC 和PMSM 电机提供全功能、高性能逆变器输

出级。这些模块集成了内置IGBT 经过优化的栅极驱动，

能够最小化EMI 和损耗，同时提供多种模块上保护功

能，包括欠压闭锁、互锁功能、过流关断、驱动IC 的热

监控和故障上报。内置高速HVIC 仅需要单电源电压并将

收到的逻辑电平栅极输入信号转换为高电压、高电流驱动

信号，从而有效驱动模块的稳健型短路控制IGBT。独立

负IGBT 引脚适用于各相位，以支持最广泛的算法控制。

• 600 V - 10 A 三相IGBT 逆变器（包含提供栅极驱动和

保护的控制IC）

• 低损耗、短路额定的IGBT

• 内置于HVIC 中的自举二极管

• 低侧IGBT 的独立发射极开路引脚用于三相电流感测

• 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

• HVIC 用于实现栅极驱动、欠压及短路电流保护

• 故障输出，用于实现欠压和短路电流保护

• 互锁功能，防止短路

• 关断输入

• HVIC 内嵌温度感测功能，用于监控温度

• 优化实现15 - 20 kHz 开关频率

• 隔离额定值：1500 V_rms/ 分

应用

• 运动控制- 家用设备/ 工业电机

相关资源

• AN-9096 - 智能功率模块，Motion SPM® 55 系列用户

指南

图1. 3D 封装图

• AN-9097 - SPM® 55 包装安装指南

（点击激活3D 内容）

封装标识与定购信息

器件

器件封装

封装

封装类型

导轨

数量

FNB51060TD1

SPMFA-A20

13

FNB51060TD1 Rev. 1.0

1

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集成的功率功能

600 V - 10 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)

• 对于逆变器低端IGBT：栅极驱动电路、短路保护(SCP)、控制电源电路欠

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

• 内置于HVIC 中的自举二极管

引脚配置

图2. 俯视图

FNB51060TD1 Rev. 1.0

2

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引脚描述

引脚号

引脚名

P

引脚描述

1

2

直流正端

U, V_S(U)

V, V_S(V)

W, V_S(W)

N_U

U 相输出

3

V 相输出

4

W 相输出

5

U 相的直流负端

6

N_V

V 相的直流负端

7

N_W

W 相的直流负端

8

IN_(UL)

IN_(UH)

IN_(VL)

IN_(VH)

IN_(WL)

IN_(WH)

V_DD

低侧U 相的信号输入

高端U 相的信号输入

低侧V 相的信号输入

高侧V 相的信号输入

低侧W 相的信号输入

高侧W 相的信号输入

IC 和IGBT 驱动的公共偏压

电源（公共）地

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

COM

C_SC

短路电流感测输入电容（低通滤波器）

V_F

故障输出，关闭输入，驱动IC 的温度输出

W 相IGBT 驱动的高端偏压

V_B(W)

V_B(V)

V_B(U)

V 相IGBT 驱动的高端偏压

U 相IGBT 驱动的高端偏压

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3

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内部等效电路与输入/ 输出引脚

P

U,Vs(U)

Nu

V_B(U)

VB

HO

VS

LO

IN(UH)

IN(UL)

HIN

LIN

V_B(V)

VB

HO

VS

LO

IN(VH)

HIN

LIN

IN(VL)

V,Vs(V)

Nv

V_B(W)

VB

IN(WH)

IN(WL)

HIN

LIN

HO

VS

LO

V_F

U,Vs(W)

V_F

Csc

V_DD

Csc

VDD

COM

Nw

图3. 内部框图

说明：

1. 逆变器高端由三个IGBT 组成，每个IGBT 包括续流二极管和一个控制IC。

2. 逆变器低端由三个IGBT 组成，每个IGBT 包括续流二极管和一个控制IC。具有栅极驱动和保护功能。

3. 包含6 个IGBT 的栅极驱动和保护功能的单驱动IC。

4. 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。

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4

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绝对最大额定值（T_J= 25°C，除非另有说明。）

逆变器部分

符号

V_PN

参数

工作条件

施加在P - N_U，N_V，N_W之间

额定值

450

500

600

10

单位

V

A

电源电压

V_PN(Surge)

V_CES

电源电压（浪涌）

集电极- 发射极之间电压

单只IGBT 集电极电流

单只IGBT 集电极电流（峰值）

* ± I_C

T_C= 25°C, T_J＜150°C

* ± I_CP

20

T_C= 25°C，T_J＜ 150°C，脉冲宽度小于

1 ms

* P_C

T_J

21

W

集电极功耗

工作结温

T_C= 25°C，单个芯片

（注5）

-40 ~ 150

°C

说明：

®

5. Motion SPM 55 产品中集成的功率芯片的最大结温额定值为150°C。

控制部分

符号

V_DD

参数

工作条件

额定值

20

单位

V

控制电源电压

高端控制偏压

施加在V_DD- COM 之间

V_BS

20

施加在V_B(U)- V_S(U)，V_B(V)- V_S(V)，V_B(W)

_S(W)之间

-

V

V_IN

-0.3 ~ V_DD+0.3

V

输入信号电压

施加在IN_(UH)，IN_(VH)，IN_(WH)，IN_(UL)

IN_(VL)，IN_(WL)- COM 之间

，

V_F

* I_F

V_SC

-0.3 ~ V_DD+0.3

5

V

mA

V

故障电源电压

故障电流

施加在V_F- COM 之间

V_F引脚处的灌电流

-0.3 ~ V_DD+0.3

电流感测输入电压

施加在C_SC- COM 之间

整个系统

符号

参数

工作条件

额定值

单位

V_PN(PROT)

V_DD= V_BS= 13.5 ~ 16.5 V

T_J= 150°C，非重复性，< 2 μs

400

V

自我保护限制电压

（短路保护容量）

T_STG

V_ISO

-40 ~ 125

1500

°C

存储温度

V_rms

绝缘电压连接陶瓷基板到引脚

60 Hz，正弦波形，交流1 分钟

热阻

符号

R_th(j-c)Q

R_th(j-c)F

参数

工作条件

最小值典型值最大值单位

-

5.9

7.6

°C / W

结点- 壳体的热阻

（注7）

逆变器IGBT 部分（每1 / 6 模块）

逆变器FWD 部分（每1 / 6 模块）

说明：

6. 对于标记有“*” 的值，这些值获取了考虑到设计因素的计算结果。

7. 关于壳体温度(T ) 的测量点，参见图2。

C

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5

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电气特性（T_J= 25°C，除非另有说明。）

逆变器部分

符号

参数

工作条件

最小值典型值最大值单位

V_CE(SAT)

V_DD= V_BS= 15 V

V_IN= 5 V

_C= 8 A

T_J= 25°C

-

1.9

2.15

V

集电极- 发射极间饱和电压

I

T_J= 150°C

T_J= 25°C

T_J= 150°C

-

2.2

-

V

V_F

V_IN= 0 V

I_F= 8 A

-

2.55

-

FWDi 正向电压

-

2.0

V

HS

LS

t_ON

t_C(ON)

t_OFF

V_PN= 400 V, V_DD= V_BS= 15 V, I_C= 10A

T_J= 25°C

0.34

0.64

0.16

0.38

0.06

0.64

0.16

0.38

0.06

-

0.94

0.40

0.58

0.10

-

us

mA

开关时间

-

V

_IN= 0 V  5 V，电感负载

-

（注8）

t_C(OFF)

t_rr

-

t_ON

V_PN= 400 V, V_DD= V_BS= 15 V, I_C= 10A

T_J= 25°C

0.34

0.94

0.40

0.58

0.10

-

t_C(ON)

t_OFF

t_C(OFF)

t_rr

-

V

_IN= 0 V  5 V，电感负载

（注8）

I_CES

V

_CE= V_CES

1

集电极- 发射极间漏电流

说明：

8. t 和t

包括模块内部驱动IC 的传输延迟时间。t

和t

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，参见图4。

C(OFF)

ON

OFF

C(ON)

100% I_C100% I_C

t_rr

V_CE

I_C

V_CE

V_IN

t_ON

t_OFF

t_C(ON)

t_C(OFF)

10% I_C

V_IN(ON)

V_IN(OFF)

10% V_CE

10% I_C

90% I_C10% V_CE

(b) turn-off

(a) turn-on

图4. 开关时间的定义

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6

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控制部分

符号

参数

工作条件

最小值典型值最大值单位

I_QDD

V_DD= 15 V,

IN_{(UH,VH,WH,UL,VL,WL)}= 0 V

V

_DD- COM

-

1.5

1.8

30

2.0

2.5

60

mA

A

V

_DD静态电源电流

I_PDD

I_QBS

I_PBS

V_DD- COM

_DD工作电源电流

V_DD= 15 V，f_PWM= 20 kHz，占空比

= 50%，施加一个PWM 信号输入

V_BS= 15 V, IN_{(UH, VH, WH)}= 0 V

V_B(U)- V_S(U), V_B(V)-

V

V_BS静态馈电流电流

V_BS工作电源电流

_S(V), V_B(W)- V_S(W)

V_B(U)- V_S(U), V_B(V)

V

-

330

450

A

V_DD= V_BS= 15 V，f_PWM= 20 kHz，

占空比 = 50%, 施加于高端的一个

PWM 信号输入

_S(V), V_B(W)- V_S(W)

V_FH

V_FL

4.5

-

V

故障输出电压

V_SC= 0 V，V_F电路：10 kΩ 至5 V 上拉

-

0.5

V_SC= 1 V，V_F电路：10 kΩ 至5 V 上拉

V_SC(ref)

UV_DDD

UV_DDR

UV_BSD

UV_BSR

I_FT

0.45

10.7

11.2

10.1

10.7

68

0.5

11.4

12.3

10.8

11.4

81

0.55

12.1

13.0

11.5

12.1

95

V

短路跳闸电平

V_DD= 15 V （注4）

检测电平

V

电源电路欠压保护

V

复位电平

V

检测电平

V

复位电平

V_DD= V_BS= 15 V, T_HVIC= 25°C

A

V

HVIC 温度感测电流

V_FT

4.05

4.19

4.32

HVIC 温度感应电压 V_DD= V_BS= 15 V、T_HVIC= 25°C、10 kW 至5 V 上拉

（图5)

t_FOD

V_FSDR

V_FSDS

V_IN(ON)

V_IN(OFF)

40

-

120

-

2.4

-

s

V

故障输出脉宽

-

关断复位电平

关断设置电平

导通阈值电压

关断阈值电压

施加在V_F- COM 之间

0.8

-

V

2.4

-

V

施加在IN_(UH)，IN_(VH)，IN_(WH)，IN_(UL)，IN_(VL)，IN_(WL)

COM 之间

-

0.8

V

说明：

9. 短路保护作用于全部6 个IGBT。

5.0

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0

25

50

75

100

125

O

T_HVIC[ C]

图5. IC 温度输出曲线V-T （采用10 kohm 电阻上拉至5 V）

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7

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自举二极管部分

符号

参数

工作条件

最小值典型值最大值单位

R_BS

V_DD= 15V, T_C= 25°C

-

280

-



自举二极管阻抗

0.06

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0.00

T_J=25 ^oC, V_DD=15V

10 11 12 13 14 15

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

V_F[V]

图6. 内置自举二极管特性

推荐工作条件

符号

参数

工作条件

最小值典型值最大值单位

V_PN

V_DD

V_BS

-

300

15

400

16.5

18.5

V

电源电压

施加在P - N_U，N_V，N_W之间

施加在V_DD- COM 之间

14.0

13.0

控制电源电压

高端偏压

15

施加在V_B(U)- V_S(U)，V_B(V)- V_S(V)，V_B(W)- V_S(W)

之间

dV_DD/ dt,

dV_BS/ dt

-1

-

1

V / s

控制电源波动

t_dead

f_PWM

0.5

-

20

4

-

s

kHz

V

防止桥臂直通的死区时间适用于每个输入信号

PWM 输入信号

电流感测的电压

最小输入脉宽

- 40°C ＜T_J＜150°C

V_SEN

-4

施加在N_U，N_V，N_W- COM 之间（包括浪涌电压）

（注10）

P_WIN(ON)

P_WIN(OFF)

0.7

-

s

-

说明：

10. 此产品可能不会响应，若输入脉宽值低于最低推荐值。

5

V Line (M C U or C ontrol pow er)

R _{P F}

= 10kΩ

S P M

,

IN _{(U H )}IN _{(V H )}

IN_{(W H )}

,

IN _{(U L)}IN _{(V L)}

IN_{(W L)}

M C U

V

F

C O M

说明：

11. 每个输入端的RC 耦合（虚线显示部分）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。SPM 55 产品的输入信号部分集成了10 k （典

型值）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。

图7. 推荐的MCU I/O 接口电路

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8

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机械特性和额定值

参数

器件平面度

安装扭矩

工作条件

最小值典型值最大值单位

-50

0.6

5.9

-

100

0.8

7.9

mm

见图8

0.7

6.9

N • m

安装螺丝：- M3

建议0.7 N • m

kg • cm

建议7.1 kg • cm

见图9

-

6.0

-

g

重量

图8. 平面度测量位置

图9. 安装螺钉时的扭紧顺序

说明：

12. 安装或扭动螺丝时切勿过分用力。扭力过大会造成封装破裂，产生毛刺并破坏铝质散热片。

13. 避免用力不均衡。图10 显示了安装螺钉时，推荐的扭紧顺序。不平坦的安装会导致SPM 55 产品的陶瓷基板损坏。预旋紧扭矩约为最大额定扭矩的20 ~ 30%。

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9

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保护功能时序图

Input Signal

Protection

Circuit State

RESET

SET

RESET

UV_DDR

a1

a6

UV_DDD

a2

Control

Supply Voltage

a3

a4

a7

Output Current

a5

Fault Output Signal

a1：控制电源电压上升：当电压上升到UV_DDR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 导通并承载电流。

a3：欠压检测(UV_DDD)。

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(UV_DDR)。

a7：正常工作：IGBT 导通并承载电流。

图10. 欠压保护（低侧）

Input Signal

Protection

RESET

SET

RESET

Circuit State

UV_BSR

b5

b1

UV_BSD

b2

Control

Supply Voltage

b3

b4

b6

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UV_BSR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 导通并承载电流。

b3：欠压检测(UV_BSD)。

b4：不论控制输入的条件，IGBT 关闭，无故障输出信号。

b5：欠压复位(UV_BSR

)

b6：正常工作：IGBT 导通并加载负载电流

图11. 欠压保护（高侧）

（包含外部分流电阻和CR 连接）

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10

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Hin

Lin

Ho

Lo

d3

d4

d5

d1

d2

Hin : High-side Input Signal

Lin : Low-side Input Signal

Ho : High-side IGBT Gate Voltage

Lo : Low-side IGBT Gate Voltage

/Fo : Fault Output

/Fo

d1：高端先入先出模式

d2：低端噪声模式低端无输出

d3：高端噪声模式高端无输出

d4：低端先入先出模式

d5：同相模式高端无输出

图12. 互锁功能

H IN

LIN

H O

S m art Turn - o ff

A ctivated b y n ext

S o ft O ff

in p ut after fault clear

LO

O ver- C urren t

D etectio n

N o O utp ut

C S C

V F

HIN：高端输入信号

LIN：低端输入信号

HO：高侧输出信号

LO：低侧输出信号

CSC：短路电流检测输入

VF：故障输出功能

图13. 过流保护控制的故障输出功能

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11

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H IN

LIN

H O

A ctivated by

next input after

fault claear

N o O utput

S m art

Turn-off

S oft O ff

LO

C S C

VF

E xternal

shutdo w n inp ut

HIN：高端输入信号

LIN：低端输入信号

HO：高侧输出信号

LO：低侧输出信号

CSC：过流检测输入

VF：关断输入功能

图14. 外部命令控制的关断输入功能

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12

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(20) V_B(U)

P (1)

U (2)

VB(U)

C_BS

C_BSC

OUT(UH)

VS(U)

R_S

(9) IN_(UH)

(19) V_B(V)

IN(UH)

VB(V)

Gating UH

Gating VH

Gating WH

C_BS

R_S

(11) IN_(VH)

(18) V_B(W)

OUT(VH)

VS(V)

IN(VH)

VB(W)

V (3)

M

C_BS

R_S

(13) IN_(WH)

(14) V_DD

IN(WH)

VDD

C_DCS

V_DC

M

C

U

OUT(WH)

VS(W)

15V line

W (4)

C_PSC_PSC_PS

C_SPC15

C_SP15

(15) COM

COM

5V line

OUT(UL)

OUT(VL)

R_PF

R_SU

N_U(5)

N_V(6)

N_W(7)

C_SPC05

C_SP05

R_S

(17) V_F

Fault

VF

C_PF

C_BPF

R_S

(8) IN_(UL)

R_SV

Gating UL

Gating VL

Gating WL

IN(UL)

IN(VL)

IN(WL)

R_S

(10) IN_(VL)

(12) IN_(WL)

C_SC

OUT(WL)

(16) C_SC

C_PSC_PS

C_PS

R_SW

CSC

R_F

U-Phase Current

V-Phase Current

W-Phase Current

Input Signal for

Short-Circuit Protection

Temp. Monitoring

说明：

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 55 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) V 是漏极开路型。该信号线应当采用一个能把I 上升到5 mA 的电阻上拉至MCU 或控制电源的正极。请参阅图15。

F

FO

4) 推荐C

的取值应大于自举电容C 的7 倍左右。

BS

SP15

5) 输入信号为高电平有效。在IC 中，有一个10 k 的电阻将每一个输入信号线下拉接地。推荐采用RC 耦合电路，以避免输入信号波动。R C 时间常数应该选择在50 ~ 150 ns

S

PS

范围内。( 推荐R = 100 ꢀ，C = 1 nF)

S

PS

6) 为了防止保护功能出错，R 和C 周围的连线应该尽可能的短。

F

SC

7) 在短路保护电路中，R C 的时间常数应在1.5 ~ 2 μs 的范围内选取。

F

SC

8) 控制GND 线和功率GND 线包括N ，N ，N 必须连接在同一点上。请不要用宽的模块连接控制GND 线和功率GND 线。同时，控制GND 线和功率GND 线之间的接线距离

U

V

W

应该尽可能的短。

9) 每个电容都应尽可能地靠近Motion SPM 55 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 和GND 引脚间的连线。推荐在P 和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，CPU 和继电器之间应留有足够的距离。

12) 在每一对控制电源端应该采用齐纳二极管或者瞬态电压抑制器来保护IC 不受浪涌破坏。（推荐22 V / 1 W，齐纳阻抗特性低于15 ꢀ 的齐纳二极管）

13) 请为C 选择温度特性好的电解电容。同时，为C

选择0.1 ~ 0.2 μF 温度和频率特性好的R- 类陶瓷电容。

BS

BSC

14) 详细信息，请参考应用说明。

图15. 典型应用电路

FNB51060TD1 Rev. 1.0

13

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描述：	智能功率模块，600 V，10A
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