安森美應(yīng)用于白家電的變頻器智能功率模塊技術(shù)及方案

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(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)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。