借助智能功率模塊系列提高白色家電的能效

CIPOS? Mini IM523系列是一個全新的智能功率模塊（IPM）系列，這些產(chǎn)品采用完全隔離的雙列直插式封裝，通過集成第二代逆導型IGBT，可以實現(xiàn)更高的電流密度和系統(tǒng)能效。IM523智能功率模塊具有一個帶自舉功能的集成式絕緣體上硅柵極驅(qū)動器和一個可向控制器提供模擬反饋信號的溫度監(jiān)測器，從而最大限度地減少了對外部元件的需求。得益于這些特性，這個新的IPM系列的產(chǎn)品堪稱冰箱和洗衣機等家用電器所使用的變頻系統(tǒng)的完美搭檔。

文：英飛凌科技研發(fā)部首席工程師Taesung Kwon和技術營銷部高級首席工程師Laurent Beaurenaut

引言

大多數(shù)家用電器都使用電機來操作其功能，如在洗衣機中轉(zhuǎn)動滾筒，或者在冰箱中壓縮空氣或氣體。過去，這些電機只能簡單的開或關，或者全天持續(xù)運轉(zhuǎn)，因而耗電量巨大，噪音也非同小可。通過變頻技術來調(diào)節(jié)電機是一種有效的高能效解決方案。

如今，世界大多數(shù)地區(qū)的生活方式都要耗用大量電力，諸如空調(diào)和冰箱等家用電器還會導致二氧化碳排放量增加。近年來，家電制造商已經(jīng)證明，通過調(diào)節(jié)電機輸入功率，可以顯著降低電能損耗。此外，電機亦不必始終全速運轉(zhuǎn)。現(xiàn)代家用電器都配備了基于半導體的電機控制裝置（變頻器），這讓電機運行更加悄無聲息，不僅提高了能效，而且縮小了體積。

變頻技術需要使用適當?shù)陌雽w解決方案。一種行之有效的方法是使用智能功率模塊。將功率半導體和驅(qū)動電路集成到一個模塊中，有助于系統(tǒng)設計人員提高系統(tǒng)可靠性。這種解決方案簡化了生產(chǎn)裝配工序，并且可以在硬件設計方面節(jié)省時間和精力。然而，這樣的緊湊型封裝集成也給散熱帶來了不小的難度。因此，至關重要的是使用高能效半導體來減少器件內(nèi)部的功率損耗。

CIPOS Mini IM523 IPM產(chǎn)品提高了中低功率驅(qū)動應用的可靠性和性能

英飛凌新近開發(fā)的CIPOS Mini IM523經(jīng)專門設計，適用于在下列應用中控制三相電機：

? 家用電器所使用的中低功率變速驅(qū)動裝置

? 暖通空調(diào)（供暖、通風和空調(diào)）系統(tǒng)

? 工業(yè)風扇和驅(qū)動裝置（功率高達1.4 kW）

這些高能效IPM基于英飛凌最先進的600 V逆導型驅(qū)動器2（RC-D2）IGBT技術，它們采用DIP 36x21封裝，具備開放式發(fā)射極。IM523支持從6A到17A不等的多個電流等級，能夠為終端系統(tǒng)提供最合適的選擇。

對于家用電器而言，600 V RC-D2技術極大地提高了性價比，可以在價格與性能之間取得最佳平衡。這款智能功率模塊針對低功率驅(qū)動應用進行了優(yōu)化，可以實現(xiàn)低導通損耗和最低開關損耗。特別地，在高開關頻率應用中，IM523系列可以提供行業(yè)內(nèi)最出色的開關損耗和卓越的能效。它的封裝專門針對需要良好的熱傳導和電隔離的功率應用而實現(xiàn)了改良，其封裝和塑封材料還擁有更好的防潮性能。

CIPOS Mini IM523 IPM具備集成式自舉電路，可簡化電路板布線。歸功于其行業(yè)標準封裝，可以方便快捷地對現(xiàn)有的Mini IPM進行設計轉(zhuǎn)換（引腳到引腳兼容），而無需重新設計電路板，從而縮短了產(chǎn)品上市時間。

圖1：CIPOS Mini IM523系列封裝外形概覽（尺寸：36 mm x 21 mm）

IM523 IPM內(nèi)部

圖2所示為IM523 IPM的內(nèi)部等效電路。它由6顆RC-D2 IGBT、一顆6通道柵極驅(qū)動IC和一個用于溫度監(jiān)測的熱敏電阻組成。這些元件都安裝在模塊的內(nèi)部電路板上。為了感測變頻器的負載電流，模塊采用開放式發(fā)射極配置，在低邊提供了三個分隔開的發(fā)射極端子。

圖2：IM523系列的框圖

它的集成式柵極驅(qū)動IC基于英飛凌最先進的絕緣體上硅（SOI）技術。這顆SOI柵極驅(qū)動器具備功能絕緣性能，其設計旨在優(yōu)化RC-D2 IGBT器件的開關性能。它還提供了諸多高級功能，如互鎖、欠壓閉鎖、過流保護、防止重復短路，以及通過內(nèi)部濾波提高抗噪能力等。有了內(nèi)部自舉二極管，便無需為高邊開關配備專門的二次電源電路，從而大大降低了總的系統(tǒng)物料成本。

這款IPM的真正與眾不同之處在于600 V RC-D2技術。逆導技術主要是將IGBT和續(xù)流二極管的功能集成到單顆芯片中。這種集成縮小了芯片的有效尺寸并降低了裝配成本。相比于前幾代逆導技術，RC-D2更加結實耐用，di/dt可控性也更好，從而降低了電磁噪聲。其特別之處在于，它專門針對要求高頻開關的驅(qū)動應用（如洗衣機、冰箱和風扇）進行了優(yōu)化，因此有助于實現(xiàn)更低開關損耗和更高功率密度，進而最終降低系統(tǒng)成本。

由于具有低Qrr特性，RC-D2 IGBT的開關損耗比上一代逆導型IGBT降低了50%。然而，性能的提升不能以犧牲結實耐用性為代價。運行過程中的系統(tǒng)故障可能會導致短路事件。所以，IPM模塊必須足夠結實耐用，以免受到此類短路事件的影響。

RC-D2開關具有優(yōu)秀的短路安全工作區(qū)（SCSOA），因而可以防止此類事件的發(fā)生。通過使用RC-D2技術，IM523 IPM的短路峰值電流水平通常比前幾代產(chǎn)品降低了20%左右，同時還能保持與之相似的短路耐受時間。例如，如果短路持續(xù)時間小于6 μs，那么，在控制電源電壓為16.5 V條件下，IM523 IPM可以安全地關斷峰值約為60 A的短路電流（非重復）。

性能評價

IM523產(chǎn)品擁有前所未有的電氣特性和熱特性，它們?yōu)橄到y(tǒng)性能更上層樓鋪平了道路。在15 kHz開關頻率下，當變頻器輸出電流為4 A時，這些智能功率模塊的功率損耗降低了25%。

圖3：功率損耗仿真測試條件：直流母線電壓= 310 V，功率模塊控制電壓= 15 V，開關頻率= 15 kHz，環(huán)境溫度= 30°C，散熱片熱阻= 3.2°C/W，功率因數(shù)= 0.8，調(diào)制指數(shù)= 0.8

利用三相變頻系統(tǒng)，對IM523的熱性能進行了評估。將它與使用上一代RC-IGBT技術和傳統(tǒng)IGBT及二極管的模塊進行了比較。為了評價每個解決方案的熱性能，測量了各個模塊在實際工作條件下的外殼溫度。測量結果如圖4所示。

圖 4：外殼溫度

使用RC-D2的IM523 IPM在熱性能方面優(yōu)于其競爭對手。當輸出電流為4.3A時，采用上一代RC-IGBT技術的IPM的外殼溫度比IM523 IPM高出5°C。由于其開關性能更好，在相同條件下，IM523 IPM的外殼溫度比使用單獨的IGBT和二極管芯片的IPM低2°C。

結語

全新CIPOS Mini IM523智能功率模塊系列是適用于變速電機驅(qū)動應用的優(yōu)化解決方案。它采用成熟的緊湊型雙列直插式傳遞模封裝，可實現(xiàn)更高能效。得益于RCD2開關的特性以及其SOI柵極驅(qū)動器的高級功能，這些產(chǎn)品可以為IPM解決方案提供性能與結實耐用性兼顧的完美結合。