白家電的變頻器智能功率模塊(IPM)技術(shù)及方案

1、 白家電的變頻器智能功率模塊（IPM）技術(shù)及方案【大比特導(dǎo)讀】如今，在白家電設(shè)計中具有顯著節(jié)能、低噪聲和優(yōu)異變速性能等特性的無刷直流(BLDC)電機(或稱“馬達”)應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，高檔電冰箱中可能會使用5個或以上電機，空調(diào)的室外機及室內(nèi)機各使用2個，洗衣機/烘干機、洗碗機等通常也會使用2個電機，這就需要高能效的電機驅(qū)動/控制方案。由于世界各國不斷關(guān)注節(jié)能問題，使節(jié)能型消費類產(chǎn)品的需求持續(xù)上升，尤其是電冰箱、洗衣機和空調(diào)等白家電產(chǎn)品。除了節(jié)能，白家電設(shè)計的挑戰(zhàn)包括尺寸、散熱、可靠性、噪聲及外觀設(shè)計等。如今，在白家電設(shè)計中具有顯著節(jié)能、低噪聲和優(yōu)異變速性能等特性的無刷直流(BLDC)電機(

2、或稱“馬達”)應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，高檔電冰箱中可能會使用5個或以上電機，空調(diào)的室外機及室內(nèi)機各使用2個，洗衣機/烘干機、洗碗機等通常也會使用2個電機，這就需要高能效的電機驅(qū)動/控制方案。變頻器技術(shù)的開發(fā)旨在高能效地驅(qū)動用于工業(yè)及家用電器的電機。此技術(shù)要求像絕緣門雙極晶體管(IGBT)、快速恢復(fù)二極管(FRD)這類的功率器件，以及控制IC和無源元件。智能功率模塊(IPM)將這些元器件高密度貼裝封裝在一起(見圖1)，高能效地驅(qū)動電機，配合白家電對低能耗、小尺寸、輕重量及高可靠性的要求。IPM內(nèi)置高擊穿電壓的驅(qū)動器IC、高擊穿電壓及大電流IGBT、快速恢復(fù)二極管、門極電阻、用于驅(qū)動上邊IGBT及

3、IGBT門極電阻的啟動二極管、用于檢測發(fā)熱的熱敏電阻、用于過流保護的分流電阻等，用于變頻器電路。IPM提供低損耗，包含多種封裝類型，電流范圍寬。 圖1:典型變頻器IPM將多種元器件封裝為模塊圖2顯示的是用于空調(diào)的典型電源電路模塊。在這個示例中，變頻器IPM用于驅(qū)動空調(diào)壓縮機及室外風(fēng)扇。變頻器IPM采用微控制器(MCU)來工作。IPM模塊高速開關(guān)電源，提供更精密控制，實現(xiàn)更高能效的空調(diào)工作。 圖2:用于空調(diào)的變頻器IPM應(yīng)用示例安森美半導(dǎo)體變頻器IPM技術(shù)特征及優(yōu)勢安森美半導(dǎo)體積極推動高能效創(chuàng)新，推出了用于工業(yè)及消費應(yīng)用包括白家電電機控制及驅(qū)動的一系列新的IPM產(chǎn)品，能驅(qū)動從10 A至50 A輸

4、出負載電流。這系列IPM產(chǎn)品相配寬廣陣容的分立電機控制元器件(包括電機控制器、IGBT及MOSFET)，為客戶提供更多的選擇。安森美半導(dǎo)體是全球第一家開發(fā)出變頻器IPM使用絕緣金屬基板技術(shù)(IMST?)基板技術(shù)的公司。此技術(shù)在鋁板，也就是在金屬基板上搭建電子電路。IMST技術(shù)使多種元件能夠封裝在同一個模塊IC中，包括電阻和電容等分立無源元件、二極管和晶體管等分立有源元件，以及更復(fù)雜的IC或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)，如門極驅(qū)動器、數(shù)字信號處理器(DSP)、邏輯元件等。IMST也能使功率輸出電路、控制電路及其外圍電路貼裝在相同基板上。 圖3:安森美半導(dǎo)體基于IMST技術(shù)的IPM結(jié)構(gòu)示意圖圖3中從底

5、到頂?shù)牡湫蜋M截面顯示提供極佳熱性能和機械性能的高熱導(dǎo)率鋁基板，覆蓋在鋁基板上面的是絕緣層，再上面是用于電氣布線的銅箔。這橫截面圖也揭示了IMST技術(shù)的一項獨特特性，那就是不存在任何用作絕緣體或機械基板的陶瓷層。因此，IMST技術(shù)的接地性能優(yōu)于任何基于陶瓷的混合電路。貼裝在功率模塊上的元器件可能會遇到焊點可靠性的問題：要么是在無源器件到基板的接口，要么是在裸片至基板的接口。為了提高可靠性，安森美半導(dǎo)體使用嵌件(over-molding)技術(shù)，加強機械粘合性。這就大幅增強可靠性，減小焊點的機械應(yīng)力。因此，安森美半導(dǎo)體基于IMST技術(shù)的IPM具結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢。把安森美半導(dǎo)體的IPM所采用的IMST結(jié)構(gòu)

6、與競爭公司的框架結(jié)構(gòu)比較(見圖4)，可以看出競爭公司使用的框架(frame)結(jié)構(gòu)因為布局和布線問題，難于集成片式電阻及片式電容等無源元件。但安森美半導(dǎo)體的IPM可以在鋁基板上直接貼裝任何元器件，只需極少繞線。此外，還可以在板上貼裝分流電阻，能夠減小模塊尺寸并減少元器件數(shù)量。 圖4:安森美半導(dǎo)體IPM的IMST結(jié)構(gòu)能降低總成本不僅如此，跟分立器件方案相比，安森美半導(dǎo)體IPM使用的IMST技術(shù)還提供更靈敏、更高精度的溫度檢測，實現(xiàn)更可靠的散熱保護。IMST技術(shù)能夠從鋁板的高熱傳導(dǎo)率受益。熱保護取決于控制器件檢測到熱變化的距離和時間。分立器件方案的溫度檢測距離較遠，導(dǎo)致檢測延遲。IMST技術(shù)在模塊中

7、內(nèi)置熱敏電阻，故以高度受控的方法監(jiān)測檢測時間及針對快速發(fā)熱事件的靈敏度，因而延遲時間短，檢測性能高，提供可靠的散熱保護，參見圖5。 圖5:IMST技術(shù)提供更優(yōu)異的溫度檢測，提供更可靠的散熱保護IMST技術(shù)的另一項重要優(yōu)勢是其電路功能。由于內(nèi)置了用于檢測電流的分流電阻，就可以在不超過3微秒時間內(nèi)實現(xiàn)短路保護，因為用于電流保護的元件在模塊內(nèi)的布局位置很近。安森美半導(dǎo)體的IMST技術(shù)能夠?qū)⒉煌骷N裝在PCB上，因此，能夠減小PCB,使PCB易于設(shè)計，縮短終端產(chǎn)品的設(shè)計時間。安森美半導(dǎo)體的IMST IPM能夠幫助大幅減少元件數(shù)量，幫助降低系統(tǒng)總成本以安森美半導(dǎo)體的STK551U362A-E IPM

8、為例，僅需電容、電阻及二極管等外圍元件11顆，而相同功能的競爭產(chǎn)品的外圍元件數(shù)量可能高達23顆。其它的IMST IPM優(yōu)勢，還包括噪聲抑制、降低浪涌電壓等。降低電機噪聲是白家電設(shè)計工程師面對的設(shè)計挑戰(zhàn)之一。安森美半導(dǎo)體的IMST技術(shù)有效降低開關(guān)EMC/EMI噪聲，因為鋁金屬基板與銅箔圖案之間的絕緣樹脂產(chǎn)生了分布式電容。此外，像IPM這樣的高壓、大電流器件，在進行脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān)工作期間，開關(guān)關(guān)斷時會產(chǎn)生由布局及繞線中寄生電感導(dǎo)致的瞬態(tài)高壓尖峰。但IMST基板本質(zhì)上會抑制高壓并降低噪聲，因為模塊內(nèi)的布線經(jīng)過了預(yù)測試，固有寄生參數(shù)極小，能夠降低浪涌電壓。安森美半導(dǎo)體的IPM在能效性能方面則更

9、有優(yōu)勢。在相同條件下的測試結(jié)果顯示，安森美半導(dǎo)體的IPM模塊的能耗更低，能效高出10%甚至更高。更高能效的方案在本質(zhì)上幫助減小散熱片尺寸，提升可靠性，解決白家電的設(shè)計挑戰(zhàn)。 圖6:安森美半導(dǎo)體的IPM能耗更低，能效更高安森美半導(dǎo)體的IPM 采用單列直插式封裝(SIP)型封裝，這種封裝提供貼裝的靈活性，能夠以引線成形方式將模塊水平或垂直貼裝。采用垂直貼裝時，由于占位面積及PCB面積相應(yīng)較少，故提供空間的優(yōu)勢。SIP結(jié)構(gòu)簡化布局，有利于縮短PCB設(shè)計時間。安森美半導(dǎo)體為符合不同的客戶需求，也規(guī)劃提供雙列直插封裝(DIP)封裝的IPM.安森美半導(dǎo)體變頻器IPM產(chǎn)品陣容安森美半導(dǎo)體提供一系列創(chuàng)新的IPM,既包括單分流電阻型，也包含3分流電阻型。公司的創(chuàng)新、智能及高集成度的方案，幫助設(shè)計工程師解決他們面對的挑戰(zhàn)。此外，安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品滿足UL標準認證要求，可幫助客戶縮短設(shè)計及評估