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(gè)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(guò)集成第二代逆導(dǎo)型IGBT，可以實(shí)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(gè)帶自舉功能的集成式絕緣體上硅柵極驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)可向控制器提供模擬反饋信號(hào)的溫度監(jiān)測(cè)器，從而最大限度地減少了對(duì)外部元件的需求。得益于這些特性，這個(gè)新的IPM系列的產(chǎn)品堪稱冰箱和洗衣機(jī)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(shù)營(yíng)銷部高級(jí)首席工程師Laurent Beaurenaut

引言

大多數(shù)家用電器都使用電機(jī)來(lái)操作其功能，如在洗衣機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒，或者在冰箱中壓縮空氣或氣體。過(guò)去，這些電機(jī)只能簡(jiǎn)單的開(kāi)或關(guān)，或者全天持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因而耗電量巨大，噪音也非同小可。通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)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(huì)導(dǎo)致二氧化碳排放量增加。近年來(lái)，家電制造商已經(jīng)證明，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入功率，可以顯著降低電能損耗。此外，電機(jī)亦不必始終全速運(yùn)轉(zhuǎn)?，F(xiàn)代家用電器都配備了基于半導(dǎo)體的電機(jī)控制裝置（變頻器），這讓電機(jī)運(yùn)行更加悄無(wú)聲息，不僅提高了能效，而且縮小了體積。

變頻技術(shù)需要使用適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體解決方案。一種行之有效的方法是使用智能功率模塊。將功率半導(dǎo)體和驅(qū)動(dòng)電路集成到一個(gè)模塊中，有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提高系統(tǒng)可靠性。這種解決方案簡(jiǎn)化了生產(chǎn)裝配工序，并且可以在硬件設(shè)計(jì)方面節(jié)省時(shí)間和精力。然而，這樣的緊湊型封裝集成也給散熱帶來(lái)了不小的難度。因此，至關(guān)重要的是使用高能效半導(dǎo)體來(lái)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(dòng)應(yīng)用的可靠性和性能

英飛凌新近開(kāi)發(fā)的CIPOS Mini IM523經(jīng)專門設(shè)計(jì)，適用于在下列應(yīng)用中控制三相電機(jī)：

? 家用電器所使用的中低功率變速驅(qū)動(dòng)裝置

? 暖通空調(diào)（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）系統(tǒng)

? 工業(yè)風(fēng)扇和驅(qū)動(dòng)裝置（功率高達(dá)1.4 kW）

這些高能效IPM基于英飛凌最先進(jìn)的600 V逆導(dǎo)型驅(qū)動(dòng)器2（RC-D2）IGBT技術(shù)，它們采用DIP 36x21封裝，具備開(kāi)放式發(fā)射極。IM523支持從6A到17A不等的多個(gè)電流等級(jí)，能夠?yàn)榻K端系統(tǒng)提供最合適的選擇。

對(duì)于家用電器而言，600 V RC-D2技術(shù)極大地提高了性價(jià)比，可以在價(jià)格與性能之間取得最佳平衡。這款智能功率模塊針對(duì)低功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗和最低開(kāi)關(guān)損耗。特別地，在高開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)用中，IM523系列可以提供行業(yè)內(nèi)最出色的開(kāi)關(guān)損耗和卓越的能效。它的封裝專門針對(duì)需要良好的熱傳導(dǎo)和電隔離的功率應(yīng)用而實(shí)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(jiǎn)化電路板布線。歸功于其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝，可以方便快捷地對(duì)現(xiàn)有的Mini IPM進(jìn)行設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換（引腳到引腳兼容），而無(wú)需重新設(shè)計(jì)電路板，從而縮短了產(chǎn)品上市時(shí)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(dòng)IC和一個(gè)用于溫度監(jiān)測(cè)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(cè)變頻器的負(fù)載電流，模塊采用開(kāi)放式發(fā)射極配置，在低邊提供了三個(gè)分隔開(kāi)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(dòng)IC基于英飛凌最先進(jìn)的絕緣體上硅（SOI）技術(shù)。這顆SOI柵極驅(qū)動(dòng)器具備功能絕緣性能，其設(shè)計(jì)旨在優(yōu)化RC-D2 IGBT器件的開(kāi)關(guān)性能。它還提供了諸多高級(jí)功能，如互鎖、欠壓閉鎖、過(guò)流保護(hù)、防止重復(fù)短路，以及通過(guò)內(nèi)部濾波提高抗噪能力等。有了內(nèi)部自舉二極管，便無(wú)需為高邊開(kāi)關(guān)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(shù)。逆導(dǎo)技術(shù)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(dǎo)技術(shù)，RC-D2更加結(jié)實(shí)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(duì)要求高頻開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用（如洗衣機(jī)、冰箱和風(fēng)扇）進(jìn)行了優(yōu)化，因此有助于實(shí)現(xiàn)更低開(kāi)關(guān)損耗和更高功率密度，進(jìn)而最終降低系統(tǒng)成本。

由于具有低Qrr特性，RC-D2 IGBT的開(kāi)關(guān)損耗比上一代逆導(dǎo)型IGBT降低了50%。然而，性能的提升不能以犧牲結(jié)實(shí)耐用性為代價(jià)。運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)故障可能會(huì)導(dǎo)致短路事件。所以，IPM模塊必須足夠結(jié)實(shí)耐用，以免受到此類短路事件的影響。

RC-D2開(kāi)關(guān)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(guò)使用RC-D2技術(shù)，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(shí)還能保持與之相似的短路耐受時(shí)間。例如，如果短路持續(xù)時(shí)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(guān)斷峰值約為60 A的短路電流（非重復(fù)）。

性能評(píng)價(jià)

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(kāi)關(guān)頻率下，當(dāng)變頻器輸出電流為4 A時(shí)，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(cè)試條件：直流母線電壓= 310 V，功率模塊控制電壓= 15 V，開(kāi)關(guān)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(duì)IM523的熱性能進(jìn)行了評(píng)估。將它與使用上一代RC-IGBT技術(shù)和傳統(tǒng)IGBT及二極管的模塊進(jìn)行了比較。為了評(píng)價(jià)每個(gè)解決方案的熱性能，測(cè)量了各個(gè)模塊在實(shí)際工作條件下的外殼溫度。測(cè)量結(jié)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。當(dāng)輸出電流為4.3A時(shí)，采用上一代RC-IGBT技術(shù)的IPM的外殼溫度比IM523 IPM高出5°C。由于其開(kāi)關(guān)性能更好，在相同條件下，IM523 IPM的外殼溫度比使用單獨(dú)的IGBT和二極管芯片的IPM低2°C。

結(jié)語(yǔ)

全新CIPOS Mini IM523智能功率模塊系列是適用于變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)更高能效。得益于RCD2開(kāi)關(guān)的特性以及其SOI柵極驅(qū)動(dòng)器的高級(jí)功能，這些產(chǎn)品可以為IPM解決方案提供性能與結(jié)實(shí)耐用性兼顧的完美結(jié)合。