三菱DIPIPM应用手册-2016

第 6 代超小型 DIPIPM 应用手册 第第6代超小型代超小型DIPIPM PSS*S92E6-AG/ PSS*S92F6-AG 应用手册应用手册（第一版第一版） Super Mini DIPIPM Ver. 6 Application Note (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 DIPIPM Ver.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。 任何个人和企业在未得到书面许可的情况下，不得传播、复制、转载、出版和出售涉及本手册的任何内容。如 有违反，我们将保留追究其法律责任的权利。敬请留意。 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 . 5 1.1 产品特征 . 5 1.2 产品功能 . 5 1.3 目标应用 . 7 1.4 产品一览 . 7 1.5 PSS*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 . 9 2.1 第 6 代超小型 DIPIPM 的规格 . 9 2.1.1 最大额定值 . 9 2.1.2 热阻 . 11 2.1.3 电气特性和推荐使用条件 . 11 2.1.4 机械特性和额定值 . 14 2.2 保护功能和动作时序 . 14 2.2.1 短路保护（SC） . 14 2.2.2 控制电源欠压保护（UV） . 16 2.2.3 过温保护（仅 PSS*S92E6-AG 产品） . 18 2.2.4 温度输出功能 VOT（仅对 PSS*S92F6-AG 来说） . 19 2.3 外形封装 . 24 2.3.1 外形封装 . 24 2.3.2 激光标签 . 25 2.3.3 管脚说明 . 26 2.4 安装方法 . 28 2.4.1 电气距离 . 28 2.4.2 安装方法和注意事项 . 28 2.4.3 焊接条件 . 29 第 3 章 系统应用指南 . 30 3.1 应用指南 . 30 3.1.1 系统连接 . 30 3.1.2 接口电路（无光耦接口电路举例，采用 1-Shunt 电阻） . 31 3.1.3 接口电路（带光耦隔离接口电路举例） . 32 3.1.4 采用 3-Shunt 电阻时的外部短路保护电路 . 33 3.1.5 信号输入端子和 Fo 端子的相关电路 . 33 3.1.6 吸收电路 . 35 3.1.7 推荐的旁路电阻周边的连线方式 . 35 3.1.8 PCB 布线的注意事项 . 37 3.1.9 DIPIPM 的并联 . 38 3.1.10 第 6 代超小型 DIPIPM 的安全工作区（SOA）. 38 3.1.11 短路安全工作区（SCSOA） . 39 3.1.12 功率循环次数 . 41 3.2 功耗计算和热设计 . 42 3.2.1 功耗计算 . 42 3.2.2 温升考虑和计算举例 . 43 3.2.3 热电偶安装 . 44 3.3 抗噪声能力与抗静电能力 . 45 3.3.1 抗噪声能力评估电路 . 45 3.3.2 对策及注意事项 . 45 3.3.3 抗静电能力 . 46 第 4 章 自举电路工作原理 . 47 4.1 自举电路工作原理 . 47 4.2 开关状态下自举电源的电路电流 . 48 4.3 自举电路设计注意事项 . 50 4.4 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 . 52 5.1 第 6 代超小型 DIPIPM 的接口评估板 . 52 5.2 接口评估板的布局/布线 . 53 5.3 电路原理图和元器件清单 . 54 第 6 章 包装处理 . 56 6.1 包装规格 . 56 6.2 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 DIP Ver.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。 DIP Ver.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。 DIP Ver.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DIP Ver.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 DIP Ver.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） IGBT IC FWDi 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 DIPIPM HVIC VCC UN VN WN Fo GND CIN WOUT VOUT UOUT UN VN WN Fo VN1 VVFB VP VWFB WP UP VNC CIN P U V W NW VP1 IGBT1 Di1 IGBT2 Di2 IGBT3 Di3 IGBT4 Di4 IGBT5 Di5 IGBT6 Di6 LVIC VNC VCC UP COM VUB UOUT VUS VVB VP VOUT VVS VWB WP WOUT VWS VUFB NV NU VOT VOT 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-AG 5A/600V 0.4kW/220VAC Viso = 1500Vrms （正弦波 60Hz、1 分钟，所有端子 短路后与散热器之间。) PSS10S92F6-AG 10A/600V 0.75kW/220VAC PSS15S92F6-AG 15A/600V 0.75kW/220VAC PSS20S92F6-AG 20A/600V 1.5kW/220VAC PSS30S92F6-AG 30A/600V 2.2kW/220VAC PSS35S92F6-AG 35A/600V 2.2kW/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-AG 5A/600V 0.4kW/220VAC Viso = 1500Vrms （正弦波 60Hz、1 分钟，所有端子 短路后与散热器之间。) PSS10S92E6-AG 10A/600V 0.75kW/220VAC PSS15S92E6-AG 15A/600V 0.75kW/220VAC PSS20S92E6-AG 20A/600V 1.5kW/220VAC PSS30S92E6-AG 30A/600V 2.2kW/220VAC PSS35S92E6-AG 35A/600V 2.2kW/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。 1.5 PSS*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 DIP Ver.4（内置 BSD 的 PS219A*系列）和 DIP Ver.5 (PS219C*)相比，DIP Ver.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) DIP Ver.5 和 DIP Ver.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，DIP Ver.5 和 DIP Ver.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，DIP Ver.5和DIP Ver.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，DIP Ver.4（内置BSD） 、DIP Ver.5及DIP Ver.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DIP Ver.5和DIP Ver.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 ID 2.80mA (Max.) 3.40mA (Max.) P侧驱动电源的电路电流 IDB 0.10mA (Max.) 0.30mA (Max.) P侧控制电源欠压保护动作电压 UVDBt 7.0V (Min.) 10.0V(Min.) P侧控制电源欠压保护恢复电压 UVDBr 7.0V(Min.) 10.5V(Min.) 自举二极管正向压降 VF 2.8V (Typ.) 100mA 1.7V (Typ.) 10mA 1.3V (Typ.) 10mA 死区时间 tdead 1.0s(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) 0.48V0.05V 0.48V0.025V (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/35A DIP Ver.6 产品， 而 5A20A DIP Ver.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) DIP Ver.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） t1 t2 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（Inverter Part） 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 450 V 直流母线电源电压（浪涌） VCC(surge) 施加于P-NU、NV、NW之间 500 V 集电极-发射极之间电压 VCES 600 V 每个IGBT的集电极电流 IC Tc=25C (注1) 15 A 每个IGBT的集电极电流 （峰值） ICP Tc=25C，1ms以内 30 A 集电极功耗 PC Tc=25C，每个IGBT硅片 27.0 W 结温 Tj (注2) -30+150 C 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/Protection Part） 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 20 V 控制电源电压 VDB 施加于 VUFB-U、VVFB-V、VWFB-W 之间 20 V 控制端子输入电压 VIN 施加于UP/VP/WP/UN/VN/WN-VNC之间 -0.5VD+0.5 V 故障输出端子电压 VFO 施加于 Fo-VNC 之间 -0.5VD+0.5 V 故障输出端子电流 IFO Fo端子的下沉电流 1 mA 电流检测输入端子电压 VSC 施加于CIN-VNC之间 -0.5VD+0.5 V 全系统（Total System） 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2us 400 V 模块工作壳温 TC Tc的测试位置如下图所示 -30+100 C 储存温度 Tstg -40+125 C 绝缘耐压 Viso 60Hz，正弦波，1 分钟， 所有端子短接后与散热器之间 1500 Vrms Tc 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 DIPIPM Tc 测试点 IGBT 硅片位置 FWD 硅片位置 散热器面 11.6mm 3mm 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 2-1-2 PSS15S92*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)Q IGBT 部分（每 1/6 模块） - - 3.7 K/W Rth(j-c)F 续流二极管部分（每 1/6 模块） - - 4.5 K/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 0.10 1.00 0 010 11 IGBT FWDi 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 2-1-3 PSS15S92*6-AG 的静态特性和开关特性 逆变部分 Inverter Part （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= 5V IC= 15A , Tj= 25C - 1.70 2.05 V IC= 15A , Tj= 125C - 1.90 2.25 IC= 1.5A , Tj= 25C - 0.90 1.10 续流二极管正向压降 VEC VIN= 0V, -IC= 15A - 2.50 3.00 V 开关时间 ton VCC= 300V, VD= VDB= 15V IC= 15A, Tj= 125C, VIN= 05V 感性负载（上/下桥臂） 0.65 1.05 1.45 s tC(on) - 0.40 0.65 toff - 1.15 1.60 tC(off) - 0.15 0.30 trr - 0.30 - 集电极-发射极间泄漏电流 ICES VCE=VCES Tj= 25C - - 1 mA Tj= 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 2-1-4 PSS15S92*6-AG 的控制/保护特性 控制/保护部分 Control/Protection Part（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 ID VP1-VNC和VN1-VNC间的总 和 VD=15V, VIN=0V - - 2.80 mA VD=15V, VIN=5V - - 2.80 IDB VUFB-U 、 VVFB-V 、 VWFB-W 之间（每路） VD=VDB=15V, VIN=0V - - 0.10 VD=VDB=15V, VIN=5V - - 0.10 短路保护动作电平 VSC(ref) VD = 15V (注 1) 0.455 0.480 0.505 V P 侧控制电源欠压保护阈值 UVDBt Tj 125C 动作电平 7.0 10.0 12.0 V UVDBr 复