在消費電器和一般工業應用的低功率電機驅動領域中，采用轉模(transfer-molded)封裝的智能功率模塊是目前的發展趨勢。飛兆半導體的智能功率模塊(SPM)涵蓋0.05至7kW的功率范圍，具有緊湊性、功能性、可靠性以及成本效益。通過使用銅直接鍵合(DBC)基底的轉模封裝，不僅能夠提高功率密度，并且在單一封裝中便可實現三相逆變器、SRM驅動器和功率因數校正等各種電路拓撲。本文將從器件、封裝以及系統配置的角度介紹在SPM中實現的尖端技術。

對于服務于家電和低功率工業市場的公司來說，關注重點越來越多地從制造過程的縱向集成轉向核心競爭力的開發，例如品牌開發、客戶服務及物流等。將分立功率半導體器件和驅動器集成進一個封裝中，能夠使這些公司減少在設計上花費的時間和精力，保證其電器產品擁有可靠的功率電子部件。這種集成使這些公司能夠縮短產品上市時間，更快地將創新技術帶給最終用戶。

推動對創新需求的一個動力是長遠的節能倡議，這些倡議迫使企業采用逆變器驅動技術。不同類型的電器使用不同的驅動解決方案，所以不同類型系統的功率級要求都有所不同，即電路拓撲和功率水平。本文將列出多個實例，將不同的器件成功地集成在一個模塊中以滿足這些變化多樣的需求。

從1999年首次開發SPM至今，飛兆半導體已經成功開發了多種SPM系列，涵蓋從50W至7kW的消費電器和低功率一般工業應用。本文將詳細介紹SPM設計概念及其半導體實現方法(功率器件和控制IC)、封裝及系統技術。

功率器件

由于IGBT技術的進步，自從SPM系列首次在工業市場出現以來，一直不斷地經歷著升級。隨著亞微米設計規則的引入，不僅芯片尺寸減小的速度加快，同時電流密度大幅度地增加。最新一代的IGBT芯片實現了關斷損耗和導通壓降之間更好的性能平衡關系，同時確保擁有足夠的SOA。圖1表示IGBT技術方面的改進。顯然，V5 IGBT具有出色的器件性能，從而可以在更小的封裝中增大功率容量。

低功耗運作常常需要更快的開關速度，這造成了恢復電流的增加和dv/dt的升高，會帶來較大的電磁干擾(EMI)、高浪涌電壓和電機泄漏電流。在SPM系列的開發過程中，已經考慮了EMI問題，并優化了柵極驅動的設計，犧牲高開關速度以控制集成IGBT的開關速度。正是由于IGBT具有低導通壓降，能夠保持總體功耗不變，同時實現低EMI特性。圖2所示為SPM的典型dv/dt特性。在其額定電流下，開啟和關斷dv/dt低于5kV/μs。

此外，為了獲得更佳的ESD保護，在柵極和發射極之間使用了具有足夠的箝位電壓的多硅背靠背二極管。2,350×2,350平方微米的芯片面積能夠獲得HBM 2.5kV和MM 300V的ESD電平。使用集成式保護二極管，所有的SPM產品都達到工業標準ESD電平。

圖1. SPM制造過程中IGBT的改進

圖2. 開關dv/dt特性(Vpn=300V、Vcc=15V、25度、20A額定電流)

驅動器IC

由于成本效益的原因，HVIC和LVIC設計為具有最少的必要功能，特別適合于消費電器的逆變器驅動。設計方面的考慮包括：借助精細工藝技術減小芯片尺寸；由3V饋入微控制器直接驅動有效的“高電平”接口；低功耗；更高的抗噪聲能力；抗溫度變化的更好穩定性等等。

HVIC的一個特性是內置高電平偏移功能，如圖3所示，能夠將來自微控制器的PWM輸入直接轉換至高邊功率器件。此外，使用外部充電反向電容，可以采用單一控制電源驅動SPM。

圖3. 高邊驅動器配置

另一方面，HVIC對于外部噪聲敏感，因為其信號是通過脈沖信號和SR鎖存器進行轉換的。對于這種脈沖驅動HVIC，高dv/dt開關驅動IGBT是最危險的開關類型。假設從漏極看LDMOS寄生電容是CM，高邊IGBT的導通dv/dt是dVS/dt，CM必須采用大電流(CM*dVS/dt)充電，才能使LDMOS漏極電壓跟隨快速變化的VB電壓，該電壓通過自舉電容CBS與VS耦合。大充電電流在R1和R2上引起過大的壓降，從而誤觸發SR鎖存器。

為了克服噪聲敏感性，因此開發了具有獨特拓撲的噪聲消除器，如圖3所示。V/I轉換器將電平變換器的輸出轉換成電流信息。對于具有高dv/dt的共模噪聲，V/I轉換器會給出相同的輸出。但是，對于正常運作，V/I轉換器輸出是互不相同的，因為兩個LDMOS中只有一個工作于正常的電平轉換器運作狀態。這樣可以方便地確定V/I轉換器的輸出是否是由于噪聲引起。一旦噪聲消除器識別出有共模噪聲侵入，它便吸收V/I轉換器的電流輸出。然后，V/I轉換器重建電壓信號，這個信號來自V/I轉換器的電流輸出，在VB和VS電源軌之間擺動。最后，經放大的信號送到SR鎖存器。

V/I和I/V轉換的另一個優點是允許負VS電壓不再受電路的閾值電壓支配。由于其獨特的拓撲，飛兆半導體的HVIC展示了出色的噪聲免疫能力，能夠耐受高達50V/ns的高dv/dt噪聲，并且擴展負電壓運作范圍，在VBS=15V左右達到VS=-10V。

LVIC負責所有的保護功能及其向微控制器的反饋。它的保護電路檢測控制電源電壓、LVIC溫度以及帶外部并聯電阻的IGBT集電極電流，并在錯誤狀態中斷IGBT的操作。有關的保護應該不受溫度和電源電壓的影響。例如在表1中給出了LVIC中過電流保護的探測電平。