壓鑄模PIM技術(shù)以更小的封裝提供更高的能效和功率密度，快速get！

作者：周錦昌

安森美半導(dǎo)體應(yīng)用工程師

可變速驅(qū)動(dòng)(VSD) 可以非常高效地改變電機(jī)的扭矩和速度，并廣泛用于諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服和暖通空調(diào) (HVAC) 等重載應(yīng)用中。在采用VSD之前，交流輸出功率只能以電網(wǎng)電力的交流頻率施加，通常在不需要全速時(shí)使用機(jī)械制動(dòng)。因此，根據(jù)需求調(diào)節(jié)速度不僅可以減少能耗，而且可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

實(shí)現(xiàn)此目的最常見的一種器件是轉(zhuǎn)換器-逆變器-制動(dòng) (CIB) 模塊。圖1顯示了CIB模塊的基本輪廓。該模塊電路包含3部分：轉(zhuǎn)換器，逆變器和制動(dòng)器。CIB的名字由這些器件的首字母-C，I和B而得來(lái)。在正常運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)換器級(jí)的輸入（圖1中的R/S/T）從電網(wǎng)汲取三相功率，并將交流電調(diào)節(jié)為直流電。

有兩種常用的三相電壓：240V級(jí)和400V級(jí);根據(jù)電壓大小，建議使用650 V CIB模塊或1200 V CIB模塊。轉(zhuǎn)換器級(jí)之后，將立即將電容器連接到直流總線，以消除由使用動(dòng)態(tài)功率引起的來(lái)自逆變器的電壓紋波。然后，逆變器級(jí)將DC輸入斬波為AC輸出來(lái)為電機(jī)供電。這可以通過(guò)導(dǎo)通和關(guān)斷模塊此部分中的6-IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出電壓/電流通過(guò)脈寬調(diào)制控制；信號(hào)被構(gòu)造為產(chǎn)生所需的功率以所需速度和方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

當(dāng)安森美半導(dǎo)體定義TMPIM電源模塊的安培額定值時(shí)，電流是指逆變器部分中的IGBT額定值。作為參考，一個(gè)1200 V 25 A TMPIM CIB模塊將提供5 kW的電動(dòng)機(jī)功率。35 A TMPIM將輸出7.5 kW；50 A可提供10 kW，15 kW和20 kW的功率。重要的是要注意，通常提供千瓦輸出功率額定值。如果應(yīng)用使用不同的控制和冷卻設(shè)置，則此額定功率可能會(huì)有很大變化。

因此，最大輸出功率由功率模塊的設(shè)計(jì)以及如何控制和冷卻模塊來(lái)定義。安森美半導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)控制在線仿真工具可幫助您選擇最合適的模塊。當(dāng)電機(jī)停止和減速時(shí)，其運(yùn)行會(huì)切換到再生模式。電機(jī)產(chǎn)生的功率被轉(zhuǎn)移回直流總線電容器。當(dāng)產(chǎn)生的功率過(guò)大時(shí)，會(huì)過(guò)度充電并損壞電容器。在這種情況下，制動(dòng)IGBT導(dǎo)通，將多余的電流引至與IGBT串聯(lián)連接的外部制動(dòng)電阻器。這種布置會(huì)耗散過(guò)多的再生功率，并使電容器電壓保持在安全水平。

在含風(fēng)扇、泵和加熱器驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，再生功率不顯著，可以移除制動(dòng)器。在這種情況下，該模塊稱為CI模塊，它代表轉(zhuǎn)換器逆變器模塊。

圖1：轉(zhuǎn)換器-逆變器-制動(dòng)器 (CIB) 模塊的基本架構(gòu)

通用CIB/CI模塊使用凝膠填充封裝，將功率組件封裝在外殼內(nèi)。這種方法涉及一個(gè)多級(jí)制造工藝，但也許更重要的是，它固有地結(jié)合了不均勻材料和接口的額外層，這會(huì)削弱模塊并降低其魯棒性。安森美半導(dǎo)體開發(fā)壓鑄模功率集成模塊 (TMPIM) 挑戰(zhàn)這一規(guī)范。顧名思義，開發(fā)的工藝是一種單級(jí)封裝技術(shù)，可以用相同的材料創(chuàng)建封裝和包圍組件的介質(zhì)。

壓鑄模工藝消除了對(duì)多種材料的需求，包括通常用于容納組件的塑料盒，膠水和包圍功率器件的密封劑。除了整體上更高效的制造工藝外，壓鑄模還能提供十倍的溫度循環(huán)，從而直接提高能效。這為最終產(chǎn)品的尺寸和形狀提供了更大的靈活性，并提供了更高的可靠性和功率密度。

迄今為止，安森美半導(dǎo)體已采用其TMPIM工藝開發(fā)和發(fā)布了許多模塊針對(duì)功率要求在3.75 kW至10 kW之間的應(yīng)用，包括六個(gè)額定電流分別為25 A，35 A和50 A的1200 V CIB模塊。這些器件采用DIP-26封裝，包括CBI和CI變體?，F(xiàn)在，安森美半導(dǎo)體將擴(kuò)展其產(chǎn)品系列，提供75 A和100 A電流輸出的1200 V CBI模塊，并推出一系列額定電流在35 A和150 A之間的650 V模塊。這些器件將能夠滿足功率要求高達(dá)20 kW的應(yīng)用，并采用QLP封裝配置。DIP-26封裝的兩側(cè)都有端子，而QLP是四邊形的引線框架封裝，所有四個(gè)側(cè)面都有端子。

為了適應(yīng)更高的輸出功率水平，安森美半導(dǎo)體進(jìn)一步開發(fā)了其TMPIM工藝，推出了標(biāo)準(zhǔn)版和增強(qiáng)版。增強(qiáng)版本采用了先進(jìn)基板，具有較厚銅層，從而無(wú)需底板，使兩種封裝的外形尺寸保持不變。這使制造商根據(jù)其功率需求在兩者之間進(jìn)行遷移更為簡(jiǎn)單。移除底板比相當(dāng)?shù)哪K減少約57％的體積，同時(shí)比標(biāo)準(zhǔn)的TMPIM封裝提高30％熱導(dǎo)率。

圖2：安森美半導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)板和增強(qiáng)板TMPIM封裝

通過(guò)增加所用銅的厚度，封裝具有較低的熱阻和較高的熱質(zhì)量，而先進(jìn)的基板進(jìn)一步提高了模塊的可靠性。

如前所述，整個(gè)組件，包括芯片、引線框架和焊線，都封裝在形成封裝的相同的環(huán)氧樹脂中。在DIP-26封裝中，CBI和CI模塊都有相同的引腳分配。在CI模塊中，制動(dòng)端子沒有內(nèi)部連接。

安森美半導(dǎo)體自身的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分析表明，使用其壓鑄模工藝制造的模塊可提供高十倍的溫度循環(huán)，高3倍的功率循環(huán)，同時(shí)具有更好的導(dǎo)熱性和整體能效。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服和HVAC應(yīng)用中，VSD通常采用CIB或CI電路的電源模塊。安森美半導(dǎo)體通過(guò)創(chuàng)新的TMPIM技術(shù)開發(fā)功率集成模塊，現(xiàn)在能夠以更小的封裝提供更高的能效和功率密度。