如何借助IPM智能功率模塊提高白色家電的能效

引言
大多數(shù)家用電器都使用電機(jī)來操作其功能，如在洗衣機(jī)中轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒，或者在冰箱中壓縮制冷劑。通過變頻技術(shù)來調(diào)節(jié)電機(jī)是一種有效的高能效解決方案。
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（IPM）。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)體來減少器件內(nèi)部的功率損耗。
英飛凌新近開發(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)1.4kW）
這些高能效IPM基于英飛凌最先進(jìn)的600V逆導(dǎo)型RC-D2 IGBT技術(shù)，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(gè)電流等級，能夠?yàn)榻K端系統(tǒng)提供最合適的選擇。
對于家用電器而言，600V RC-D2技術(shù)極大地提高了性價(jià)比。這款智能功率模塊針對低功率驅(qū)動(dòng)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗和最低開關(guān)損耗。特別地，在高開關(guān)頻率應(yīng)用中，IM523系列可以提供行業(yè)內(nèi)最出色的開關(guān)損耗和卓越的能效。它的封裝專門針對需要良好的熱傳導(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），而無需重新設(shè)計(jì)電路板，從而縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

IM523 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)
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(fù)載電流，模塊采用開放式發(fā)射極配置，在低邊提供了三個(gè)分隔開的發(fā)射極端子。

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器件的開關(guān)性能。它還提供了諸多高級功能，如互鎖、欠壓閉鎖、過流保護(hù)、防止重復(fù)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(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I(lǐng)PM的真正與眾不同之處在于600V RC-D2逆導(dǎo)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。
由于具有低Qrr特性，RC-D2 IGBT的開關(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)行過程中的系統(tǒng)故障可能會導(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6μs，那么，在控制電源電壓為16.5V條件下，IM523 IPM可以安全地關(guān)斷峰值約為60A的短路電流。
性能評價(jià)
IM523產(chǎn)品擁有更加優(yōu)化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15kHz開關(guān)頻率下，當(dāng)變頻器輸出電流為4A時(shí)，這些智能功率模塊的功率損耗降低了25%。
利用三相變頻系統(tǒng)，對IM523的熱性能進(jìn)行了評估。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。為了評價(jià)每個(gè)解決方案的熱性能，測量了各個(gè)模塊在實(shí)際工作條件下的外殼溫度。測量結(jié)果如圖4所示。

使用RC-D2的IM523 IPM在熱性能方面優(yōu)于其競爭對手。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
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RC-D2開關(guān)的特性以及其SOI柵極驅(qū)動(dòng)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(jié)實(shí)耐用性兼顧的完美結(jié)合。

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