用于功率因数校正的智能功率模块

　　持续飙升的电价使人们对变频驱动（VFD）的节能电动机重新刮目相看。许多种电机，例如无刷直流电机、开关磁阻电机甚至感应电机都可以采用变频驱动来使输入的交流电压同步。这种对于节

能电机的兴趣进而增加了人们对于 Fairchild 的智能功率模块(SPMTM)的关注。这些模块将功率开关管、驱动线路和防护装置集成在一个低价、紧凑并且独立的模块中，直接连接到一侧的微控制器或者 DSP 以及另一侧的电机上。

　　 电机驱动与电源不同，许多标准，例如欧洲的 IEC 1000-3-2，都要求电源带有功率因数校正电路，而各国政府对于电机驱动是否带有 PFC 基本上没有任何硬性的规定。然而，现在随着人们的环保观念越来越强，这种情况正在慢慢地发生变化。目前，将功率因数校正用于电动机驱动电路的根本原因就是为了简化设计以及市场营销。从 120Vac 的墙面插座中可以获得的最大电流是限制电动机大小的关键所在。一般说来，在北美墙面插座的额定电流为15A。然而，安全机构却规定从插座中获得的最大电流不得超过12A。将 PFC 电路用于电动机驱动电路的主要原因就是为了能够使用现有的 120Vac 的墙面插座来带动一台较大的电动机。

　　将PFC 电路用于电动机控制的另一个原因就是电动机的固有通用额定电压以及输出电压波动的减少可以极大地简化电动机的设计的事实。经过 PFC 电路之后电动机的输入电压就会变高，从而降低电流，进而减少损耗。

　　目前有两种常用的电动机驱动 PFC 电路——部分 PFC 电路和常规 PFC 电路。部分PFC 是一种通过每半圈开关一次电源装置来改变输入电流的波形的方法。因此，尽管部分PFC 非常高效，但是不能产生非常高的功率因数。而常规 PFC 可以将 PFC 从非 PFC 设计的大约 70% 提高到 99%。两种形式的功率因数校正都被广泛地应用在电动机控制上，特别是在电动机驱动模块和 PFC 模块被置于同一个组件当中的情况下，可以产生紧凑的设计效果。例如，图1中所示的迷你 SPM 组件可以容纳额定电压为 600V 以及多种额定电流（从 3A 到 50A）的电动机驱动模块，具体情况取决于这些模块中所含的硅晶体的类型和大小，以及绝缘材料及其性能。将所有 PFC 电路放在同一个模块中，我们可以获得一个 40kHz 的开关，600V 的常规 PFC 电路，范围在 2kW 到 6kW 之间。

图1a：迷你 DIP 组件的外壳为 44mm × 26.8mm ，可以提供 2500Vac 的绝缘（持续1分钟）。

　　Fairchild 的这种 Motion-SPM 的电流范围从 3A 到 50A，包含六个 IGBT（或者 MOSFET），反并联二极管和适用于所有功率开关管的驱动IC。

如上图1b所示将 PFC 模块和 Motion-SPM变频器置于同一个组件中可以获得一个简洁优美的外观设计效果。

      部分转换功率因数校正模块

    如上所述，由于该模块中的 IGBT 以电网频率开关,而且要有极低的导通电压，所以较慢的 IGBT适合这类模块的需要。用于模块中的整流器也做了优化设计，以获得最低的正向压降，而不是针对恢复时间。部分 PFC 方案可以将功率因数提高到百分之九十到九十几的范围。需要使用输出电容器来处理较大的脉动电流，并且无源元件，特别是磁性元件的尺寸较大。因此，这种方法只适用于低于 3kW 的系统。通常用于窗式空调。

图2a：部分转换 PFC 电路的特有的电压和电流波形

图2b：使用 Fai rchild 的FSAB20PH60 模块的特有的图形。左上方的热敏电阻器是用来监控模块内部的温度，并且为 MCU 或者 DSP 提供信息的。

　　常规功率因数校正模块

　　常规功率因数校正电路不仅可以用于电动机控制，而且还可以用于其他方面，例如电源或者照明。常规功率因数校正电路可以是计算密集型的，通常采用一个专用的 PFC IC，例如 FAN4800连续电流型 PFC IC，来减少 MCU 或者 DSP 上的计算量。对于电源来说，使用模块可以使二极管和功率开关管之间的距离最小化，从而降低寄生电感，进而减少功率损失。这类 PFC 适用于各式各样的功率级。Fairchild 的 FPxB 系列智能功率模块适合于 2kW 到 6kW 的范围，特别适合于功率较高的空调产品。在散热条件一般的应用中，DBC 绝缘材料是最佳的选择。采用一个负温度系数（NTC）热敏电阻器来监控模块中的模头温度可以有效地防止热失控。在模块中采用低欧姆值的电流传感电阻器还可以获得精确的电流测量。在模块高压侧的两个二极管需要的是超快恢复二极管，并且带有软恢复以便将电磁干扰（EMI）降到最低限度。

考虑到成本和正向压降，对低压侧二极管进行了优化。用于模块中的快速 IGBT 可以将模块的开关频率提高到超过 20kHz。

图3a：常规功率因数校正电路的特有的电压和电流波形。获得超过99%的功率因数是可能的。

图3b：Fairchild 的 FPAB50PH60 的内部电路图，一个带有 20kHz IGBT 和超快 Stealth™ 二极管的 30A、600V 的 PFC 模块。

　　这种采用模压塑料制成的多用途、低成本、使用DBC材料绝缘的 PFC 模块，其优点是可以广泛应用于各种瓦数范围。只需更换另外一种 IGBT，或者电荷平衡 MOSFET，例如 Fairchild 的 600V SuperFET™ MOSFET，这些模块就可以用于从 100Hz 到 100kHz 之间的任何开关频率。