安森美：白家電的變頻器智能功率模塊（IPM）技術(shù)及方案

由于世界各國(guó)不斷關(guān)注節(jié)能問(wèn)題，使節(jié)能型消費(fèi)類產(chǎn)品的需求持續(xù)上升，尤其是電冰箱、洗衣機(jī)和空調(diào)等白家電產(chǎn)品。除了節(jié)能，白家電設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)包括尺寸、散熱、可靠性、噪聲及外觀設(shè)計(jì)等。如今，在白家電設(shè)計(jì)中具有顯著節(jié)能、低噪聲和優(yōu)異變速性能等特性的無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)（或稱“馬達(dá)”）應(yīng)用越來(lái)越廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高檔電冰箱中可能會(huì)使用5個(gè)或以上電機(jī)，空調(diào)的室外機(jī)及室內(nèi)機(jī)各使用2個(gè)，洗衣機(jī)/烘干機(jī)、洗碗機(jī)等通常也會(huì)使用2個(gè)電機(jī)，這就需要高能效的電機(jī)驅(qū)動(dòng)/控制方案。

變頻器技術(shù)的開發(fā)旨在高能效地驅(qū)動(dòng)用于工業(yè)及家用電器的電機(jī)。此技術(shù)要求像絕緣門雙極晶體管（IGBT）、快速恢復(fù)二極管（FRD）這類的功率器件，以及控制IC和無(wú)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(qū)動(dòng)電機(jī)，配合白家電對(duì)低能耗、小尺寸、輕重量及高可靠性的要求。IPM內(nèi)置高擊穿電壓的驅(qū)動(dòng)器IC、高擊穿電壓及大電流IGBT、快速恢復(fù)二極管、門極電阻、用于驅(qū)動(dòng)上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動(dòng)二極管、用于檢測(cè)發(fā)熱的熱敏電阻、用于過(guò)流保護(hù)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(diào)的典型電源電路模塊。在這個(gè)示例中，變頻器IPM用于驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)及室外風(fēng)扇。變頻器IPM采用微控制器（MCU）來(lái)工作。IPM模塊高速開關(guān)電源，提供更精密控制，實(shí)現(xiàn)更高能效的空調(diào)工作。

圖2:用于空調(diào)的變頻器IPM應(yīng)用示例

安森美半導(dǎo)體變頻器IPM技術(shù)特征及優(yōu)勢(shì)

安森美半導(dǎo)體積極推動(dòng)高能效創(chuàng)新，推出了用于工業(yè)及消費(fèi)應(yīng)用包括白家電電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)的一系列新的IPM產(chǎn)品，能驅(qū)動(dòng)從10 A至50 A輸出負(fù)載電流。這系列IPM產(chǎn)品相配寬廣陣容的分立電機(jī)控制元器件（包括電機(jī)控制器、IGBT及MOSFET），為客戶提供更多的選擇。

安森美半導(dǎo)體是全球第一家開發(fā)出變頻器IPM使用絕緣金屬基板技術(shù)（IMST?）基板技術(shù)的公司。此技術(shù)在鋁板，也就是在金屬基板上搭建電子電路。IMST技術(shù)使多種元件能夠封裝在同一個(gè)模塊IC中，包括電阻和電容等分立無(wú)源元件、二極管和晶體管等分立有源元件，以及更復(fù)雜的IC或?qū)Ｓ眉呻娐罚ˋSIC），如門極驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字信號(hào)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(dǎo)體基于IMST技術(shù)的IPM結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中從底到頂?shù)牡湫蜋M截面顯示提供極佳熱性能和機(jī)械性能的高熱導(dǎo)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(shù)的一項(xiàng)獨(dú)特特性，那就是不存在任何用作絕緣體或機(jī)械基板的陶瓷層。因此，IMST技術(shù)的接地性能優(yōu)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(huì)遇到焊點(diǎn)可靠性的問(wèn)題：要么是在無(wú)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(dǎo)體使用嵌件（over-molding）技術(shù)，加強(qiáng)機(jī)械粘合性。這就大幅增強(qiáng)可靠性，減小焊點(diǎn)的機(jī)械應(yīng)力。因此，安森美半導(dǎo)體基于IMST技術(shù)的IPM具結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)。

把安森美半導(dǎo)體的IPM所采用的IMST結(jié)構(gòu)與競(jìng)爭(zhēng)公司的框架結(jié)構(gòu)比較（見圖4），可以看出競(jìng)爭(zhēng)公司使用的框架（frame）結(jié)構(gòu)因?yàn)椴季趾筒季€問(wèn)題，難于集成片式電阻及片式電容等無(wú)源元件。但安森美半導(dǎo)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(shù)量。

圖4:安森美半導(dǎo)體IPM的IMST結(jié)構(gòu)能降低總成本

不僅如此，跟分立器件方案相比，安森美半導(dǎo)體IPM使用的IMST技術(shù)還提供更靈敏、更高精度的溫度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)更可靠的散熱保護(hù)。IMST技術(shù)能夠從鋁板的高熱傳導(dǎo)率受益。熱保護(hù)取決于控制器件檢測(cè)到熱變化的距離和時(shí)間。分立器件方案的溫度檢測(cè)距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)致檢測(cè)延遲。IMST技術(shù)在模塊中內(nèi)置熱敏電阻，故以高度受控的方法監(jiān)測(cè)檢測(cè)時(shí)間及針對(duì)快速發(fā)熱事件的靈敏度，因而延遲時(shí)間短，檢測(cè)性能高，提供可靠的散熱保護(hù)，參見圖5。

圖5:IMST技術(shù)提供更優(yōu)異的溫度檢測(cè)，提供更可靠的散熱保護(hù)

IMST技術(shù)的另一項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)是其電路功能。由于內(nèi)置了用于檢測(cè)電流的分流電阻，就可以在不超過(guò)3微秒時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)，因?yàn)橛糜陔娏鞅Ｗo(hù)的元件在模塊內(nèi)的布局位置很近。安森美半導(dǎo)體的IMST技術(shù)能夠?qū)⒉煌骷N裝在PCB上，因此，能夠減小PCB,使PCB易于設(shè)計(jì)，縮短終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間。

安森美半導(dǎo)體的IMST IPM能夠幫助大幅減少元件數(shù)量，幫助降低系統(tǒng)總成本以安森美半導(dǎo)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(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品的外圍元件數(shù)量可能高達(dá)23顆。

其它的IMST IPM優(yōu)勢(shì)，還包括噪聲抑制、降低浪涌電壓等。降低電機(jī)噪聲是白家電設(shè)計(jì)工程師面對(duì)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。安森美半導(dǎo)體的IMST技術(shù)有效降低開關(guān)EMC/EMI噪聲，因?yàn)殇X金屬基板與銅箔圖案之間的絕緣樹脂產(chǎn)生了分布式電容。此外，像IPM這樣的高壓、大電流器件，在進(jìn)行脈寬調(diào)制（PWM）開關(guān)工作期間，開關(guān)關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生由布局及繞線中寄生電感導(dǎo)致的瞬態(tài)高壓尖峰。但I(xiàn)MST基板本質(zhì)上會(huì)抑制高壓并降低噪聲，因?yàn)槟K內(nèi)的布線經(jīng)過(guò)了預(yù)測(cè)試，固有寄生參數(shù)極小，能夠降低浪涌電壓。

安森美半導(dǎo)體的IPM在能效性能方面則更有優(yōu)勢(shì)。在相同條件下的測(cè)試結(jié)果顯示，安森美半導(dǎo)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(zhì)上幫助減小散熱片尺寸，提升可靠性，解決白家電的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

圖6:安森美半導(dǎo)體的IPM能耗更低，能效更高

安森美半導(dǎo)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(shí)，由于占位面積及PCB面積相應(yīng)較少，故提供空間的優(yōu)勢(shì)。SIP結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化布局，有利于縮短PCB設(shè)計(jì)時(shí)間。安森美半導(dǎo)體為符合不同的客戶需求，也規(guī)劃提供雙列直插封裝（DIP）封裝的IPM.

安森美半導(dǎo)體變頻器IPM產(chǎn)品陣容

安森美半導(dǎo)體提供一系列創(chuàng)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(chuàng)新、智能及高集成度的方案，幫助設(shè)計(jì)工程師解決他們面對(duì)的挑戰(zhàn)。此外，安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品滿足UL標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證要求，可幫助客戶縮短設(shè)計(jì)及評(píng)估時(shí)間。

表1:安森美半導(dǎo)體的變頻器IPM產(chǎn)品陣容

總結(jié)：

安森美半導(dǎo)體基于IMST技術(shù)的IPM提供多重技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決白家電設(shè)計(jì)工程師的各種設(shè)計(jì)問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)緊湊、占位面積少的IPM模塊集成了多種內(nèi)置特性及智能功能，工程師可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減小電路板空間、提升可靠性、減少元器件數(shù)量及降低元器件總成本。