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安森美半導體應用于白家電的變頻器智能功率模塊(IPM)技術及方案 由于世界各國不斷關注節能問題，使節能型消費類產品的需求持續上升，尤其是電冰箱、洗衣機和空調等白家電產品。除了節能，白家電設計的挑戰包括尺寸、散熱、可靠性、噪聲及外觀設計等。如今，在白家電設計中具有顯著節能、低噪聲和優異變速性能等特性的無刷直流(BLDC)電機(或稱“馬達”)應用越來越廣泛。據統計，高檔電冰箱中可能會使用5個或以上電機，空調的室外機及室內機各使用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動/控制方案。 變頻器技術的開發旨在高能效地驅動用于工業及家用電器的電機。此技術要求像絕緣門雙極晶體管(IGBT)、快速恢復二極管(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內置高擊穿電壓的驅動器IC、高擊穿電壓及大電流IGBT、快速恢復二極管、門極電阻、用于驅動上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動二極管、用于檢測發熱的熱敏電阻、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顯示的是用于空調的典型電源電路模塊。在這個示例中，變頻器IPM用于驅動空調壓縮機及室外風扇。變頻器IPM采用微控制器(MCU)來工作。IPM模塊高速開關電源，提供更精密控制，實現更高能效的空調工作。 圖2：用于空調的變頻器IPM應用示例。 安森美半導體變頻器IPM技術特征及優勢 安森美半導體積極推動高能效創新，推出了用于工業及消費應用包括白家電電機控制及驅動的一系列新的IPM產品，能驅動從10 A至50 A輸出負載電流。這系列IPM產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。 安森美半導體是全球第一家開發出變頻器IPM使用絕緣金屬基板技術(IMST)基板技術的公司。此技術在鋁板，也就是在金屬基板上搭建電子電路。IMST技術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，以及更復雜的IC或專用集成電路(ASIC)，如門極驅動器、數字信號處理器(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：安森美半導體基于IMST技術的IPM結構示意圖。 圖3中從底到頂的典型橫截面顯示提供極佳熱性能和機械性能的高熱導率鋁基板，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技術的接地性能優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，安森美半導體使用嵌件(over-molding)技術，加強機械粘合性。這就大幅增強可靠性，減小焊點的機械應力。因此，安森美半導體基于IMST技術的IPM具結構上的優勢。 把安森美半導體的IPM所采用的IMST結構與競爭公司的框架結構比較(見圖4)，可以看出競爭公司使用的框架(frame)結構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量。 圖4：安森美半導體IPM的IMST結構能降低總成本。 不僅如此，跟分立器件方案相比，安森美半導體IPM使用的IMST技術還提供更靈敏、更高精度的溫度檢測，實現更可靠的散熱保護。IMST技術能夠從鋁板的高熱傳導率受益。熱保護取決于控制器件檢測到熱變化的距離和時間。分立器件方案的溫度檢測距離較遠，導致檢測延遲。IMST技術在模塊中內置熱敏電阻，故以高度受控的方法監測檢測時間及針對快速發熱事件的靈敏度，因而延遲時間短，檢測性能高，提供可靠的散熱保護，參見圖5。 圖5：IMST技術提供更優異的溫度檢測，提供更可靠的散熱保護。 IMST技術的另一項重要優勢是其電路功能。由于內置了用于檢測電流的分流電阻，就可以在不超過3微秒時間內實現短路保護，因為用于電流保護的元件在模塊內的布局位置很近。安森美半導體的IMST技術能夠將不同元器件貼裝在PCB上，因此，能夠減小PCB，使PCB易于設計，縮短終端產品的設計時間。 安森美半導體的IMST IPM能夠幫助大幅減少元件數量，幫助降低系統總成本。以安森美半導體的STK551U362A-E IPM為例，僅需電容、電阻及二極管等外圍元件11顆，而相同功能的競爭產品的外圍元件數量可能高達23顆。 其它的IMST IPM優勢，還包括噪聲抑制、降低浪涌電壓等。降低電機噪聲是白家電設計工程師面對的設計挑戰之一。安森美半導體的IMST技術有效降低開關EMC/EMI噪聲，因為鋁金屬基板與銅箔圖案之間的絕緣樹脂產生了分布式電容。此外，像IPM這樣的高壓、大電流器件，在進行脈寬調制(PWM)開關工作期間，開關關斷時會產生由布局及繞線中寄生電感導致的瞬態高壓尖峰。但IMST基板本質上會抑制高壓并降低噪聲，因為模塊內的布線經過了預測試，固有寄生參數極小，能夠降低浪涌電壓。 安森美半導體的IPM在能效性能方面則更有優勢。在相同條件下的測試結果顯示，安森美半導體的IPM模塊的能耗更低，能效高出10%甚至更高。更高能效的方案在本質上幫助減小散熱片尺寸，提升可靠性，解決白家電的設計挑戰。 圖6：安森美半導體的IPM能耗更低，能效更高。 安森美半導體的IPM 采用單列直插式封裝(SIP)型封裝，這種封裝提供貼裝的靈活性，能夠以引線成形方式將模塊水平或垂直貼裝。采用垂直貼裝時，由于占位面積及PCB面積相應較少，故提供空間的優勢。SIP結構簡化布局，有利于縮短PCB設計時間。安森美半導體為符合不同的客戶需求，也規劃提供雙列直插封裝(DIP)封裝的IPM。 安森美半導體變頻器IPM產品陣容 安森美半導體提供一系列創新的IPM，既包括單分流電阻型，也包含3分流電阻型。公司的創新、智能及高集成度的方案，幫助設計工程師解決他們面對的挑戰。此外，安森美半導體的產品滿足UL標準認證要求，可幫助客戶縮短設計及評估時間。 表1：安森美半導體的變頻器IPM產品陣容。 總結： 安森美半導體基于IMST技術的IPM提供多重技術優勢，解決白家電設計工程師的各種設計問題。由于設計緊湊、占位面積少的IPM模塊集成了多種內置特性及智能功能，工程師可以簡化設計、減小電路板空間、提升可靠性、減少元器件數量及降低元器件總成本。 |
