智能型電源模塊簡化并加速三相電器電機驅(qū)動器的開發(fā)

 

 

在一個單列直插式封裝中嵌入一個完整且基于IGBT的智能型三相逆變器驅(qū)動器，適用于最大額定功率為0.75kW的AC感應(yīng)和無刷DC電機。

電器工程師需要一種設(shè)計方法，能夠簡化高效洗衣機、冰箱、空調(diào)和其他家用電器所用的三相變速電機驅(qū)動器的開發(fā)過程。變速電機驅(qū)動器采用電子線路來改變電機的轉(zhuǎn)速，而不是舊式電器中所使用的較低可靠性的機械變速法）。而且，利用電子控制法來進行變速還能夠在不需要更高速度時降低電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能。相對高速而言，低速條件下的功耗較少。一個集成電源模塊（IPM）可提供該功能。

要在合適的相位上產(chǎn)生適量的功率以驅(qū)動這些變速電機，就必需對電機及其關(guān)聯(lián)驅(qū)動器有所了解。除此之外，如何在苛刻的工作條件下獲得高可靠性以及操作的安全性并使輻射指標(biāo)符合國際標(biāo)準EMC限定值也是設(shè)計人員所面臨的挑戰(zhàn)。這需要電機驅(qū)動電子技術(shù)方面的相關(guān)知識。

與此同時，市場要求在占位面積更小、成本更低的情況下實現(xiàn)更高的性能和耐用性。另外，新設(shè)計贏得市場成功機會的時間不斷縮短，使得產(chǎn)品的面市時間成為了至關(guān)重要的因素。于是，電器系統(tǒng)開發(fā)人員正承受著壓力，需要加速開發(fā)進程并及時向市場投放最終產(chǎn)品。最終產(chǎn)品推出過程中的任何延誤都有可能導(dǎo)致在競爭中落伍。

采用分立元件和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的傳統(tǒng)方法能夠滿足功率要求，但需要占用大量的印刷電路板空間。而且，這種采用分立元件的傳統(tǒng)方法需要的元件也更多，因而增加了設(shè)計的復(fù)雜性并延長了開發(fā)時間。此外，元件數(shù)量的增加也使得庫存量以應(yīng)付硬件的需求。

集成電源模塊

電器系統(tǒng)開發(fā)人員需要一些更加新穎的方法，以便在減少工作量的同時縮短總體開發(fā)時間并降低風(fēng)險。為了解決這些難題，人們開發(fā)出了采用先進封裝工藝的功率半導(dǎo)體器件，用于制成集成電源模塊，藉以克服采用分立元件的舊式三相逆變器解決方案的局限性。該新型集成電源模塊使得設(shè)計師能夠簡化諸如洗衣機和冰箱等家用電器中的三相AC感應(yīng)和無刷DC電機驅(qū)動。

這款針對電機驅(qū)動應(yīng)用的先進IPM匯集了低損耗型高壓IGBT和驅(qū)動器IC方面的最新改進以及封裝工藝的新成果，從而為所需的應(yīng)用提供一種省位電子電機驅(qū)動解決方案。IRAMS10UP60 PlugNDrive^TM 集成電源模塊（IPM）是IR公司iMOTION集成設(shè)計平臺系列的產(chǎn)品，它除了將所有的高壓功率晶體管和關(guān)聯(lián)驅(qū)動器電子線路集成在一個小型絕緣封裝外，還具有保護功能，以確保操作安全以及系統(tǒng)可靠。此外，它還能夠由一個+15Vdc電源來提供工作電壓，以便進一步簡化其在電機驅(qū)動應(yīng)用中的使用，并由此加速最終產(chǎn)品的開發(fā)。

電磁兼容性（EMC）是很重要的，因此，該IPM電源模塊需要重視電路板布局和屏蔽，并通過縮短模塊內(nèi)部互連線長度以及減少布線數(shù)量，旨在加強抑制EMI（電磁干擾）。由于裸露的半導(dǎo)體芯片在最接近的位置安裝，并且采用了高集成度的IC，因此，互連線被大大縮短了，而且用于將芯片連接至襯墊及I/O端口連接至外部引腳所需的配線也大為減少。不僅如此，其結(jié)構(gòu)還確保了不會因接地反跳或串?dāng)_而引發(fā)故障。簡而言之，一個現(xiàn)成的IPM有助電器工程師開發(fā)完整電機驅(qū)動系統(tǒng)，并減輕所有既單調(diào)乏味又勞心費力的工作。如果采用分立型方案，工程師需要在電路板上布設(shè)15個以上的元件，但IPM能夠?qū)⒐ぷ髁繙p少為只需布設(shè)一個模塊和三個相關(guān)聯(lián)的自舉電容器。

為了提供單一絕緣單列直插式封裝（SIP）的省位高性能三相逆變器，該IPM利用了一種低成本絕緣金屬襯底（IMS）的優(yōu)點。該IMS采用具有高熱導(dǎo)率的全模制塑料以方便多種元件（包括電源芯片、驅(qū)動器芯片以及所有其他可采用表面貼裝的無源和有源分立元件）的緊密裝配（圖1）。為了提供適當(dāng)?shù)钠帘尾⒆畲笙薅鹊販p少EMI，該組件中的鋁板被保持在地電位。這種新型專有技術(shù)使得模塊中的芯片能夠均勻地分布熱量以維持安全的額定溫度。

 

圖1: 顯示IPM內(nèi)部構(gòu)造的截面圖

結(jié)果，該模塊在一個最小絕緣電壓為2000V的23引腳SIP封裝中內(nèi)置了6個額定電壓為600V的低導(dǎo)通電壓、非穿通（NPT）IGBT芯片以及3個集成自舉二極管和1個三相高速、高壓驅(qū)動器IC（圖2）。

 

圖2: 用于6個IGBT功率級的三相高速、高壓驅(qū)動器IC

該模塊采用了一個集成熱敏電阻溫度傳感器（用于提供過熱和過流保護）并具有集成欠壓閉鎖功能（UVLO）。此外，該模塊還具有適合于先進電流檢測技術(shù)的低側(cè)發(fā)射極輸出引腳，該技術(shù)利用每個電機相位上的外部分流來對電流進行連續(xù)監(jiān)視并實現(xiàn)短路檢測和保護。總之，該IPM提供了一個支持安全操作的高保護級。

用于高側(cè)驅(qū)動器部分的集成自舉二極管加上一個用于晶體管和驅(qū)動器IC的單+15V電源進一步簡化了該電源模塊的使用。由于該IPM采用的是不需要負電源來完全關(guān)斷器件的正柵極驅(qū)動型IGBT，所以只需采用單極性電源便足夠了。

NPT IGBT

這些IGBT將MOSFET的高輸入阻抗特性與雙極型晶體管的低通態(tài)傳導(dǎo)損耗特性結(jié)合在一起。近期NPT技術(shù)的實現(xiàn)大大改善了這種器件在電壓低至600V條件下的開關(guān)特性并降低了制造成本，從而使其深受工作頻率為25kHz（或更低）的600V設(shè)計的青睞。事實上，該設(shè)計中所使用的IGBT芯片能夠在滿額定電流條件下實現(xiàn)高達25kHz的開關(guān)頻率。它們是穩(wěn)定性極佳的開關(guān)，并具有一個矩形反偏壓工作區(qū)（RBSOA）。它們能夠承受至少10μs的短路時間。

該模塊所用IGBT的另一個頗具吸引力的特點是對于器件接通及關(guān)斷提供更加優(yōu)良的柵極控制。NPT技術(shù)確保了對諸如接通和關(guān)斷時間等器件參數(shù)更為嚴格的控制。同樣地，為了保持高效率，IGBT開關(guān)能耗也被維持在最低狀態(tài)。當(dāng)I=5A，V_CC=400V和溫度為25℃時，逆變器的總開關(guān)能耗（接通和關(guān)斷損耗之和）為225μJ。在相似的條件下，溫度為100℃時的開關(guān)能耗被維持在低至310μJ的水平上。

該省位模塊能夠承受高達600V的電壓。它采用了一個單片高壓驅(qū)動器IC，從而使得所需的外部元件大為減少。這種片上集成度顯著減少了模塊內(nèi)部的布線及互連通路的數(shù)量，從而大大地降低了寄生損耗，并進一步提升了三相逆變器的效率。簡而言之，它造就了一個能夠簡化AC感應(yīng)和無刷DC電機用三相逆變器結(jié)構(gòu)的IPM。

該高壓三相驅(qū)動器IC的一些突出的優(yōu)點如下：