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用于家电电机驱动的先进智能功率模块IPM

作者: 浮思特科技2024-05-27 14:02:08

  IHS 发布的最新《全球主要家用电器市场》报告预测,随着新一代产品变得更加复杂和功能丰富,到 2030 年,家用电器在半导体方面的支出将达到 38 亿美元。增长最快的领域将是功率半导体,包括用于电子电机控制的智能功率模块 (IPM),这是满足目前世界各地各个地区有效的生态设计目标所必需的。

  IR 的 iMotion™ 集成设计平台是目前最成功的电子电机控制产品组合之一,它使大型家电 (MHA) 行业能够在严格的成本和上市时间约束下提供节能产品。iMotion 整合了所需的所有数字、模拟和电源设备以及电机控制算法、开发软件和设计工具,可实现由 IPM 和数字控制 IC 组成的完整电机驱动器,并配备少量外部元件,可在几天内(而不是几周内)启动电机进行评估。然而,如今,不断变化的设计重点和新的节能标准正在推动对更小尺寸、更低成本和更高可扩展性等增强功能的需求。

  用于节能 EC 风扇和压缩机解决方案的 IPM

  降低系统成本的关键通常是提高半导体集成度,同时减小 IC 尺寸,以利用更小的 PCB 尺寸和更简单的机械设计。IR 最新 μIPM™ 系列的推出使诸如加热和通风风扇或高达 200W 的水循环泵等应用尺寸更小、价格更具竞争力,符合最新的能源标准。

  这些模块采用功率 QFN (PQFN) 器件封装,是业界首款利用 PCB 作为散热器的全集成逆变器。这些模块借鉴了负载点和 VRM 模块的原理,适用于高压应用,比现有的三相电机控制电源 IC 小 60%。在模块内部,500V FredFet 电源开关和高压 IC (HVIC) 芯片粘合到裸露的引线框架上,该引线框架焊接到 PCB 上。各种三相和单相(半桥)配置均可用,封装尺寸极小,如图 1 所示。

智能功率模块IPM

图1

  图 2 显示了 2.2kW 分体式空调系统中使用的 60W 冷凝风扇驱动器。通过在单个 12mm x 12mm QFN 封装中提供完整的 500V 三相逆变器系统,μIPM 实现了无散热器设计,并有助于将元件数量从 91 个减少到 31 个。PCB 成本/面积降低了 43%,同时组装和测试周期更短,测试覆盖率更高。

智能功率模块IPM

图2

  为了满足 MHA 领域的高功率应用,μIPM 系列已扩展为采用半桥配置的新型 7mm x 8mm x 0.9mm 和 8mm x 9mm x 0.9mm 模块,电压额定值高达 40V,电流额定值增加到 500V 版本的 10A 和 40V 版本的 30A。将集成的三相逆变器拆分为三个独立的半桥可带来多种好处,最重要的是,它可以将功耗分散到更大的 PCB 区域,从而提高热性能。

  使用 μIPM QFN 进行设计 μIPM QFN IC 尺寸极小,并且使用 PCB 作为耗散功率的主要通道,因此需要对电机驱动设计的某些方面采用不同的方法,以最大限度地提高性能。

  一般而言,IPM 电流能力取决于直流总线电压、环境温度和开关频率。随着这些参数的增加,损耗、调制方案的复杂性(从 3 相到 2 相)、相电压的 dV/dt 以及关键 FET 特性(如 RDSON 和 IREC)也会增加。

  对于表面贴装 μIPM 驱动器,电流能力还取决于 PCB 设计;具体来说,铜厚度、铜垫面积、层数以及最终允许的最大 PCB 温度。实际上,功率半导体的最大结温不如最大 PCB 温度那么重要。增加铜厚度可降低整体结到环境的热阻,从而降低 PCB 温度,从而实现更高的电流能力

  图 3 说明了 PCB 铜厚度和散热器面积对 300W 压缩机驱动器电流能力的影响,该驱动器的逆变器级由三个 IRSM807-105MH 半桥模块组成。输出电流能力随着 ΔTCA 的增加而增加,并且当使用 2 相调制而不是 3 相调制方案时也会增加。同样,通过降低开关频率来减少开关损耗可以实现更高的输出电流。添加顶部安装的散热器可以进一步降低温度。通过使用一组 μIPM 半桥模块,整体压缩机驱动器板尺寸缩小了 40%,至 10cm x 7.7cm。

智能功率模块IPM

图3

  除了推出 μIPM PQFN 系列外,IR 还扩展了其双列直插式 (DiP μIPM) 系列,使其能够满足基于更传统设计和组装技术的大量应用。DiP μIPM 系列专为与散热器配合使用而设计,允许设计人员通过调整散热器额定值来创建支持不同功率输出的多种产品。这些 DIP μIPM 采用与 μIPM 表面贴装系列相同的芯片组,采用 DIP26/SOP26 封装,使设计人员可以自由地为每种应用选择最佳解决方案。

  与 PQFN 系列一样,DiP μIPM 提供多种功率级选择,这些功率级基于 IR 的 500V 或 250V 沟槽 FREDFET mosfet。此外,使用 600V 沟槽 IGBT 和 Pt 二极管的版本可满足高达 250W 的更高功率要求。所有版本都具有内置自举功能和通过 NTC 集成的温度反馈,可实现完全保护冗余。

  适用于主驱动器应用的 IPM

  对于大电流应用,例如洗衣机和空调系统的主要驱动器,IR 的系统级封装 SiP IRAM Gen2 IGBT 型 IPM 引入了增强功能,可满足家电市场对更高效率和更宽工作温度范围的需求。新设计采用外露(但完全隔离)基板,具有出色的介电转变温度,允许高达 140°C 的工作外壳温度。沟槽 IGBT 和 FRED 续流二极管的新型铜散热器可将结壳热阻提高高达 30%。瞬态热阻抗也大大降低,从而提高了过载条件下的可靠性。

智能功率模块IPM

图4

  热机械改进、优化的Trench IGBT和先进的 HVIC 三相栅极驱动器相结合,使电流处理能力提高了 20%,最大外壳工作温度提高了 33%。可提供额定电流高达 20A 的设备。另一方面,保持相同的机械尺寸和引脚对引脚兼容性使设计人员能够相对轻松地升级现有的电机驱动设计,以用于需要增加电机电流的更高性能产品。

  成本优化的模块

  市场还要求更低成本的 IPM 以实现低功耗。IR 的新型 DiP-IRAM 平台通过将功率半导体和 HVIC 封装在引线框架、完全传递模塑的双列直插式封装 (DIP)中来满足这一需求,该封装符合行业标准的 24 毫米 x 38 毫米外形尺寸。与基于 SiP-IRAM Gen2 基板的系统级封装相比,这可以实现更低成本的解决方案,并且仅需少量外部组件即可覆盖 6A 至 15A 的额定电流。

  结论

  IR 的 iMotion 集成设计平台使设计人员能够以实惠的价格实现节能家电和工业电机驱动器。最新的 iMotion IPM 提供全面的性能改进和额外的封装选择,可简化现有设计的升级。

浮思特科技专注功率器件领域,为客户提供igbt、ipm模块等功率器件以及MCU和触控芯片,是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。

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