FSAM75SM60A [ONSEMI]
智能功率模块，600V，75A;
| 型号： | FSAM75SM60A |
| 厂家： | 
ONSEMI |
| 描述： | 智能功率模块，600V，75A 电动机控制 光电二极管 |
| 文件： | 总16页 (文件大小：721K) |
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2014 年 7 月
FSAM75SM60A
Motion SPM® 2 系列
特性
概述
• 通过 UL 第 E209204 号认证 (UL1557)
FSAM75SM60A 是 Motion SPM® 2 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，热量监
测和故障报告。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 - 75 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 (AIN) 基板实现非常低的热阻
• 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
• 针对 5 kHz 开关频率进行优化
• 内置负温度系数热敏电阻可实现温度监测
• 逆变器的额定功率为 6.0 kW / 100~253 VAC
• 通过 sense-IGBT 发射极改变串联电阻值可调整电
流保护水平
• 绝缘等级：2500 Vrms / 分钟
应用
• 运动控制 - 家用设备 / 工业电机
资料
• AN-9043 - Motion SPM® 2 Series User's 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
FSAM75SM60A
FSAM75SM60A
S32DA-032
Rail
8
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集成的功率功能
600V - 75 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）
注意：可用自举电路示例如图 13 和图 14 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 （UVLO）保护
温度监测：系统温度监测使用内置的热敏电阻
注意：可用温度监测电路示例如图 14 所示。
•
•
故障信号：对应短路故障 （低端 IGBT ）和 UV 故障 （低端控制电源 ）
输入接口：低电平有效接口，可用于 3.3 / 5 V 逻辑电平，施密特触发脉冲输入
引脚布局
(1)VCC(L)
(2)COM(L)
(3)IN(UL)
(4)IN(VL)
(5)IN(WL)
(6)COM(L)
(7)VFO
(24)VTH
(25)RTH
(26)NU
(27)NV
(8)CFOD
(9)CSC
(28)NW
(10)RSC
(11)IN(UH)
(12)VCC(UH)
(29)U
Case Temperature(TC)
Detecting Point
(13)VB(U)
(14)VS(U)
(15)INV(H)
(30)V
(16)COM(H)
(17)VCC(VH)
(31)W
(18)VB(V)
(19)VS(V)
DBC Substrate
(20)IN(WH)
(32)P
(21)VCC(WH)
(22)VB(W)
(23)VS(W)
图 2. 俯视图
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引脚描述
引脚号
引脚名
引脚描述
1
VCC(L)
IC 和 IGBT 驱动的低端公共偏压
低端公共电源接地
2
COM(L)
IN(UL)
IN(VL)
IN(WL)
COM(L)
VFO
3
低端 U 相的信号输入端
低端 V 相的信号输入端
低端 W 相的信号输入端
低端公共电源接地
4
5
6
7
故障输出
8
CFOD
CSC
设置故障输出持续时间的电容
短路电流感测输入电容 （低通滤波器）
短路电流感测电阻
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
RSC
IN(UH)
VCC(UH)
VB(U)
VS(U)
IN(VH)
COM(H)
VCC(VH)
VB(V)
VS(V)
IN(WH)
VCC(WH)
VB(W)
VS(W)
VTH
高端 U 相的信号输入
U 相 IC 的高端偏压
U 相 IGBT 驱动的高端偏压
U 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
高端 V 相的信号输入
高端公共电源接地
V 相 IC 的高端偏压
V 相 IGBT 驱动的高端偏压
V 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
高端 W 相的信号输入
W 相 IC 的高端偏压
W 相 IGBT 驱动的高端偏压
W 相 IGBT 驱动的高端偏压接地
热敏电阻偏压
RTH
用于热敏电阻 （温度检测）的串连电阻
U 相的直流输入端负端
V 相的直流输入端负端
W 相的直流输入端负端
U 相输出
NU
NV
NW
U
V
V 相输出
W
W 相输出
P
直流输入正端
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内部等效电路与输入 / 输出引脚
P (32)
(22) VB(W)
VB
(21) VCC(WH)
VCC
OUT
VS
COM
IN
(20) IN(WH)
(23) VS(W)
W (31)
(18) VB(V)
VB
(17) VCC(VH)
VCC
(16) COM(H)
(15) IN(VH)
OUT
VS
COM
IN
V (30)
(19) VS(V)
(13) VB(U)
VB
(12) VCC(UH)
VCC
OUT
VS
COM
IN
(11) IN(UH)
(14) VS(U)
U (29)
(10) RSC
(9) CSC
OUT(WL)
OUT(VL)
OUT(UL)
C(SC)
C(FOD)
VFO
(8) CFOD
NW (28)
(7) VFO
(6) COM(L)
(5) IN(WL)
(4) IN(VL)
(3) IN(UL)
IN(WL)
IN(VL)
IN(UL)
NV (27)
(2) COM(L)
(1) VCC(L)
COM(L)
VCC
NU (26)
RTH (25)
THERMISTOR
VTH (24)
图 3. 内部框图
注：
1. 逆变器的低端由三个 sense-IGBT 组成，每个 IGBT 分别带有续流二极管，以及一个带有栅极驱动、电流感测和保护功能的控制 IC。
2. 逆变器的功率端由逆变器的四个直流输入引脚和三个输出引脚组成。
3. 逆变器高端由三个常规 IGBT 以及相应的续流二极管和驱动 IC 组成。
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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
项目
符号
条件
额定值
单位
VDC
450
V
电源电压
施加于直流线路
500
600
V
V
电源电压 （浪涌）
VPN （浪涌） 施加在 P 和 N 之间
VCES
集电极 - 发射极之间电压
单个 IGBT 的集电极电流
单个 IGBT 的集电极电流
单个 IGBT 的集电极电流 （峰值）
集电极功耗
± IC
± IC
± ICP
PC
TC = 25°C
75
A
TC = 100°C
37
A
110
A
TC = 25°C，脉冲宽度小于 1ms
TC = 25°C，单个芯片
（注 1）
189
W
°C
TJ
-20 ~ 125
工作结温
注：
1. 为保证安全工作，建议平均结温应限制为 T ≤ 125°C (at T ≤ 100°C) 。
J
C
控制部分
项目
符号
条件
额定值
单位
VCC
20
V
控制电源电压
施加在 VCC(UH), VCC(VH), VCC(WH) - COM(H), VCC(L) -
COM(L)
VBS
VIN
20
V
V
高端控制偏压
输入信号电压
施加在 VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V), VB(W) - VS(W)
-0.3 ~ VCC+0.3
施加在 IN(UH), IN(VH), IN(WH) - COM(H)
IN(UL), IN(VL), IN(WL) - COM(L)
VFO
IFO
-0.3 ~ VCC+0.3
5
V
mA
V
故障输出电源电压
故障输出电流
施加在 VFO - COM(L) 之间
V
FO 引脚处的灌电流
VSC
-0.3 ~ VCC+0.3
电流感测输入电压
施加在 CSC - COM(L) 之间
整个系统
项目
符号
条件
额定值
单位
VPN(PROT)
400
V
自我保护限制电压 （短路保护能力）
施加于直流线路，
VCC = VBS = 13.5 ~ 16.5 V
TJ = 125°C，非重复性，< 5 μs
见图 2
TC
-20 ~ 100
-20 ~ 125
2500
°C
°C
模块壳体工作温度
存储温度
TSTG
VISO
Vrms
绝缘电压
60 Hz，正弦波形，交流 1 分钟，连接陶瓷基
板到引脚
热阻
项目
符号
条件
最小值 典型值 最大值 单位
Rth(j-c)Q
-
-
-
-
-
-
0.56 °C/W
0.98 °C/W
0.06 °C/W
结点 - 壳体的热阻
逆变器 IGBT 部分 （每 1/6 模块）
Rth(j-c)F
Rth(c-f)
逆变器 FWD 部分 （每 1/6 模块）
接触热阻
DBC 基板 （每 1 个模块）应用散热膏 （注 3）
注：
2. 关于壳体温度 (T ) 的测量点，请参见图 2。
C
3. 散热膏的厚度不能超过 100 μm。
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电气特性
逆变器部分 （TJ = 25°C，除非另有说明。）
项目
符号
条件
最小值 典型值 最大值 单位
VCE(SAT) VCC = VBS = 15 V
IC = 50 A, TJ = 25°C
IC = 50 A, TJ = 25°C
-
-
2.4
V
集电极 - 发射极
间饱和电压
V
IN = 0 V
VIN = 5 V
VPN = 300 V, VCC = VBS = 15 V
C = 75 A, TJ = 25°C
IN = 5 V ↔ 0 V, 电感负载
VFM
tON
-
-
-
-
-
-
-
-
2.1
V
FWD 正向电压
0.76
0.44
1.42
0.46
0.10
-
-
μs
μs
μs
μs
μs
μA
开关时间
I
V
tC(ON)
tOFF
tC(OFF)
trr
-
-
（高端和低端）
-
-
（注 4）
ICES
VCE = VCES, TJ = 25°C
250
集电极 - 发射极间漏电
流
注：
4.
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，请参见图 4。
C(OFF)
ON
OFF
C(ON)
100% IC
trr
I
C
VCE
VCE
I
C
VIN
tON
VIN
tOFF
tC(ON)
t
C(OFF)
VIN(ON)
90% IC
10% IC 10% V
CE
VIN(OFF)
10% VCE 10%
I
C
(a) Turn-on
(b) Turn-off
图 4. 开关时间的定义
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电气特性 （TJ = 25°C，除非另有说明。）
控制部分
项目
符号
条件
最小值 典型值 最大值 单位
IQCCL VCC = 15 V
VCC(L) - COM(L)
-
-
-
-
-
-
26
mA
μA
μA
V
CC 静态电源电流
IN(UL, VL, WL) = 5V
IQCCH VCC = 15 V
IN(UH, VH, WH) = 5V
VBS = 15 V
IN(UH, VH, WH) = 5V
VCC(UH), VCC(VH), VCC(WH)
COM(H)
VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V)
B(W) - VS(W)
-
130
420
IQBS
,
V
BS 静态电源电流
V
VFOH
VFOL
4.5
-
-
-
V
V
V
V
故障输出电压
VSC = 0 V, VFO 电路：4.7 kΩ 至 5 V 上拉
VSC = 1 V, VFO 电路：4.7 kΩ 至 5 V 上拉
VCC = 15 V （注 5）
-
1.1
VSC(ref)
VSEN
0.45
0.51
0.51
0.56
0.56
短路触发电平
RSC = 26 Ω, RSU = RSV = RSW = 0 Ω and IC = 100 A 0.45
（参阅图 6）
IGBT 电流的感应电压
UVCCD
UVCCR
UVBSD
UVBSR
tFOD
11.5
12.0
7.3
8.6
1.4
-
12.0
12.5
9.0
10.3
1.8
-
12.5
13.0
10.8
12.0
2.0
0.8
-
V
V
电源电路欠压保护
检测电平
复位电平
V
检测电平
V
复位电平
ms
V
故障输出脉宽
导通阈值电压
关断阈值电压
导通阈值电压
关断阈值电压
热敏电阻的阻值
CFOD = 33 nF （注 6）
高端
VIN(ON)
VIN(OFF)
VIN(ON)
VIN(OFF)
RTH
施加在 IN(UH), IN(VH), IN(WH)
- COM(H) 之间
3.0
-
-
V
-
0.8
-
V
低端
施加在 IN(UL), IN(VL), IN(WL)
COM(L) 之间
-
3.0
-
-
V
50
3.0
-
kΩ
kΩ
@ TTH = 25°C （注 7，图 5）
@ TTH = 100°C （注 7，图 5）
-
-
注：
5. 短路电流保护仅作用于低端。外接检测电阻 (R ) 的阻值建议约为 26 Ω，以保证当分流电阻 （R , R , R ）为 0 Ω 时，短路触发电平约为 100 A。若需了解
SC
SU
SV
SW
外接检测电阻 (R ) 和分流电阻 (R , R , R ) 间关系的详细信息，请参阅图 6。
SC
SU
SV
SW
-6
6. 故障输出脉宽 t
取决于电容 C
的值，可采用下面的近似公式进行计算：C
= 18.3 x 10 x t
[F]
FOD
FOD
FOD
FOD
7.
T
为热敏电阻自身的温度。若需获得壳体温度 (T )，请根据具体应用进行实验。
TH
C
R-T Curve
70k
60k
50k
40k
30k
20k
10k
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Temperature TTH[∩ ]
图 5. 内置热敏电阻的 R-T 曲线
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50
40
30
20
10
0
(1)
(2)
0.000
0.005
0.010
0.015
Rsu,Rsv,Rsw [Ω]
0.020
0.025
0.030
图 6. 短路保护分流电阻 ( RSU, RSV, RSW) 的改变对 RSC 的影响
(1) @ 电流跳闸电平≒ 75 A
(2) @ 电流跳闸电平≒ 100 A
推荐工作条件
项目
电源电压
符号
条件
最小值 典型值 最大值 单位
VPN
-
300
400
V
V
施加在 P - NU, NV, NW 之间
VCC
13.5
15.0
16.5
控制电源电压
施加在 VCC(UH), VCC(VH), VCC(WH) - COM(H),
VCC(L) - COM(L)
VBS
13.0
15.0
18.5
V
高端偏压
施加在 VB(U) - VS(U), VB(V) - VS(V), VB(W) -
VS(W)
tdead
fPWM
3.5
-
-
5
-
-
-
-
μs
kHz
μs
防止桥臂直通的死区时间
PWM 输入信号
适用于每个输入信号
TC ≤ 100°C, TJ ≤ 125°C
PWIN(OFF) 200 ≤ VPN ≤ 400 V, 13.5 ≤ VCC ≤ 16.5 V,
13.0 ≤ VBS ≤ 18.5 V, 0 ≤ IC ≤ 110 A,
-20 ≤ TJ ≤ 125°C
3
最小输入脉宽
VIN = 5 V ↔ 0 V，电感负载 （注 8）
VIN(ON)
0 ~ 0.65
4 ~ 5.5
V
V
输入导通阈值电压
输入关断阈值电压
施加在 IN(UH), IN(VH), IN(WH) - COM(H), IN(UL)
IN(VL), IN(WL) - COM(L)
,
,
VIN(OFF)
施加在 IN(UH), IN(VH), IN(WH) - COM(H), IN(UL)
IN(VL), IN(WL) - COM(L)
注：
8. Motion SPM 2 可能不会响应，若 PW
®
低于最低推荐值。
IN(OFF)
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机械特性和额定值
项目
条件
最小值 典型值 最大值
单位
8
0.78
0
10
0.98
-
12
1.17
+120
-
kg•cm
安装扭矩
安装螺钉：M4
（注 9 和 10）
建议 10 kg•cm
建议 0.98 N•m
见图 7
N•m
μm
g
DBC 平面度
-
32
重量
(+)
(+)
(+)
图 7. DBC 基底的平面度测量位置
注：
9. 安装或扭动螺钉时切勿过分用力。扭力过大会造成 DBC 基底破裂，产生毛刺并破坏铝质散热片。
®
10.避免用力不均衡。图 8 显示了安装螺钉时，推荐的扭紧顺序。安装不平会破坏 Motion SPM 2 的封装 DBC 基底。
2
1
图 8. 安装螺钉时的扭紧顺序 (1 ® 2)
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保护功能时序图
Input Signal
Internal IGBT
Gate-Emitter Voltage
P3
P2
UV
reset
P5
Control Supply Voltage
UV
detect
P6
P1
Output Current
P4
Fault Output Signal
P1 : 正常工作：IGBT 导通并传导电流。
P2 : 欠压检测。
P3 : IGBT 栅极中断。
P4 : 故障信号产生。
P5 : 欠压复位。
P6 : 正常工作：IGBT 导通并传导电流。
图 9. 欠压保护 （低端）
Input Signal
Internal IGBT
Gate-Emitter Voltage
P3
UV
reset
P5
Control Supply Voltage
VBS
P2
UV
detect
P6
P1
Output Current
Fault Output Signal
P4
P1 : 正常工作：IGBT 导通并传导电流。
P2 : 欠压检测。
P3 : IGBT 栅极中断。
P4 : 没有故障信号。
P5 : 欠压复位。
P6 : 正常工作：IGBT 导通并传导电流。
图 10. 欠压保护 （高端）
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P5
Input Signal
P6
Internal IGBT
Gate-Emitter Voltage
SC Detection
P1
P4
P7
Output Current
P2
SC Reference
Voltage (0.5V)
Sensing Voltage
RC Filter Delay
P8
Fault Output Signal
P3
P1 : 正常工作：IGBT 导通并传导电流。
P2 : 短路电流感测。
P3 : IGBT 栅极中断 / 故障信号产生。
P4 : IGBT 缓慢关断。
P5 : IGBT 关断信号。
P6 : IGBT 导通信号：但是在故障输出有效的时间内， IGBT 不导通。
P7 : IGBT 关断状态。
P8 : 故障输出复位和正常工作启动。
图 11. 短路保护 （仅适用于低端工作）
5 V
RPF
4.7 kΩ
=
RPL
2 kΩ
=
RPH
=
SPM
4.7 kΩ
100 Ω
100 Ω
100 Ω
,
,
,
IN(UH) IN(VH)
IN(WH)
IN(WL)
,
IN(UL) IN(VL)
MCU
VFO
CPF
1 nF
=
CPL
0.47 nF
=
CPH
1.2 nF
=
1 nF
COM
图 12. 推荐的 MCU I/O 接口电路
注：
1. 建议用于栅极输入信号 IN
®
, IN
, IN
, IN
, IN
和 IN
的旁路电容应尽可能的靠近放置于 Motion SPM 2 产品的引脚，用于故障输入信号 V 的旁
(UL)
(VL)
(WL)
(UH)
(VH)
(
W
H
)
F
O
路电容应尽可能的靠近放置于 MCU 和 Motion SPM 2 产品的两侧。
2. 逻辑输入与标准 CMOS 或者 LSTTL 的输出兼容。
3. 为了防止输入 / 输出信号的振荡，推荐在每个 Motion SPM 2 产品输入端耦合 R
品的引脚。
C
/R
C
/R
C
，而且滤波电路应该尽可能的靠近每一个 Motion SPM 2 产
PL PL PH PH PF PF
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These values depend on PWM control algorithm
RE(H)
15 V
One-Leg Diagram of
Motion SPM® 2 Product
P
RBS
DBS
0.1 µF
Vcc VB
IN
HO
47 µF
COM VS
Inverter
Output
Vcc
IN
OUT
470 µF
1 µF
COM
N
图 13. 推荐的自举工作电路和参数
注：
4. 推荐使用具有软、快恢复特性的自举二极管 D
。
BS
5. 自举电阻 （R ）阻值应为 R
的三倍。 R
的推荐值为 5.6 Ω，但是当高端的 dv/dt 较缓慢时，其取值可提高为 20 Ω。
BS
E(H)
E(H)
®
6. 在 V - COM 之间的陶瓷电容应大于 1 µF，并且应尽可能靠近 Motion SPM 2 产品的引脚。
CC
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RE(WH)
RE(VH)
RE(UH)
15 V
5 V
RBS
DBS
P (32)
(22) VB(W)
VB
(21) VCC(WH)
VCC
RPH
OUT
COM
IN
RS
RS
RS
CBS
CBSC
CBSC
CBSC
(20) IN(WH)
(23) VS(W)
W (31)
Gating WH
VS
CPH
RBS
DBS
(18) VB(V)
VB
(17) VCC(VH)
VCC
RPH
(16) COM(H)
(15) IN(VH)
OUT
VS
COM
IN
CBS
Gating VH
V (30)
(19) VS(V)
M
CPH
DBS
RBS
(13) VB(U)
VB
M
C
U
(12) VCC(UH)
VCC
CDCS
Vdc
RPH
OUT
VS
COM
IN
CBS
(11) IN(UH)
(14) VS(U)
U (29)
Gating UH
CPH
RSC
RF
5 V
(10) RSC
RCSC
(9) CSC
OUT(WL)
OUT(VL)
OUT(UL)
C(SC)
C(FOD)
VFO
(8) CFOD
RPL RPL RPL RPF
CSC
RSW
N
W (28)
RS
RS
CFOD
(7) VFO
Fault
(6) COM(L)
(5) IN(WL)
(4) IN(VL)
(3) IN(UL)
Gating WH
Gating VH
Gating UH
IN(WL)
IN(VL)
IN(UL)
RS
RS
RSV
NV (27)
(2) COM(L)
(1) VCC(L)
COM(L)
VCC
CBPF
CPL CPL CPL CPF
RSU
NU (26)
5 V
CSPC15
VTH (24)
CSP15
THERMISTOR
R
TH (25)
RTH
CSPC05
CSP05
Temp. Monitoring
RFW
RFV
RFU
W-Phase Current
V-Phase Current
U-Phase Current
CFW
CFU
CFV
图 14. 应用电路
注：
1. 为了防止输入信号的振荡，推荐在每个 Motion SPM 2 产品的输入端耦合 R
C
/R
C
/R
C
，而且滤波电路应该尽可能的靠近每一个 Motion SPM 2 产品
®
PL PL PH PH
PF PF
的输入引脚。
2. 因为 Motion SPM 2 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 输出是集电极开路型。该信号线应当采用 4.7 kΩ 电阻上拉至 5V 电源的正极。请参考图 12。
FO
4. 推荐 C
的取值应大于自举电容 C 的 7 倍左右。
SP15
BS
5. V 输出脉宽取决于连接在 C
（引脚 8）和 COM （引脚 2）之间的外部电容 （C
）。（示例：若 C
= 33 nF，则 t = 1.8 ms （典型值））具体计算
FO
FOD
(L)
FOD
FOD FO
方法请参考注意 6。
6. 每个输入信号线都应当和一个约 4.7 kΩ （高端输入端）或 2 kΩ （低端输入端）的电阻上拉至 5V 电源 （其余每个输入端的 RC 耦合电路是否需要，视 PWM 的
控制方式以及印刷电路板的配线阻抗情况而定）。每一个电源接线终端需要一个大约 0.22 ~ 2 nF 的旁路电容。
7. 为避免保护功能出错，应尽可能缩短 R , R 和 C 周围的连线。
SC
F
SC
8. 在短路保护电路中， R C 的时间常数应在 3 ~ 4 μs 的范围内进行选择。
F
SC
9. 每个电容都应尽可能地靠近 Motion SPM 2 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 & N 引脚间的连线。推荐在 P&N 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。建议距离至少为 5 cm。
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