智能功率模塊如何提升工業(yè)系統(tǒng)能效

智能功率模塊(IPM)廣泛用于變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)、戶內(nèi)戶外風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)和功率校正電路。近年來，泵和工業(yè)風(fēng)扇領(lǐng)域因?yàn)閷?duì)緊湊化的要求，也開始使用IPM產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨著變頻系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人等新興領(lǐng)域，IPM的高可靠性設(shè)計(jì)也開始大顯神威。安森美半導(dǎo)體的IPM陣容強(qiáng)大，技術(shù)領(lǐng)先，功率等級(jí)從50 W至7.5 kW，滿足各種不同的應(yīng)用需求，并持續(xù)研發(fā)更高功率密度和能效、更可靠的IPM，拓展工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，以助力提升工業(yè)能效，并滿足工業(yè)新興領(lǐng)域的需求。

什么是IPM？

IPM在一個(gè)封裝模塊中高度集成MOSFET和IGBT等分立功率器件、高低壓驅(qū)動(dòng)芯片和外圍阻容器件、二極管，實(shí)現(xiàn)比分立方案更靈敏準(zhǔn)確的保護(hù)功能、更簡(jiǎn)單的外圍元器件設(shè)計(jì)、更簡(jiǎn)化的生產(chǎn)工藝和更好的散熱性能。

圖1：IPM的優(yōu)勢(shì)

IPM基板技術(shù)

IPM可以無需絕緣墊片直接與外部散熱器相連，不但簡(jiǎn)化了散熱的工藝難度，而且也降低了熱阻。IPM的這種優(yōu)點(diǎn)基于IPM基板技術(shù)。

直連銅基板(DBC)、陶瓷基板和絕緣金屬基板(IMST)是三種不同的IPM基板技術(shù)，各有優(yōu)缺點(diǎn)，可基于不同的應(yīng)用需求使用不同的基板技術(shù)。DBC技術(shù)熱阻最低，可實(shí)現(xiàn)最高的電流密度，但工藝難度較高，成本最高。陶瓷基板技術(shù)成本稍低，易于量產(chǎn)，適用于功率密度稍高、同時(shí)對(duì)成本有較高要求的領(lǐng)域，和DBC工藝一樣，隔離電壓大于4kV，但受制于工藝本身，貼裝的器件比較有限。IMST技術(shù)易貼裝各類電阻電容和電感器件，但熱阻較大，所以電流低。

新的SPM?49用于5kW至7.5kW的空調(diào)、逆變器、泵和風(fēng)扇

SPM的優(yōu)點(diǎn)之一就是高度的集成化設(shè)計(jì)，但因?yàn)橐_定義各家供應(yīng)商不相同，造成客戶對(duì)單一供應(yīng)商的擔(dān)心，安森美半導(dǎo)體的SPM?49在封裝上兼容“M”公司的Large DIP系列產(chǎn)品，可以消除客戶對(duì)“獨(dú)家”供應(yīng)商的擔(dān)心。

SPM?49采用先進(jìn)的溝槽型IGBT，比平面型IGBT功率密度更高，使用DBC基板技術(shù)，熱阻極低，因而有更高的熱性能，尺寸為79mm*31mm*8mm，相比Large DIP，SPM?49爬電距離更遠(yuǎn)，絕緣性能更優(yōu)。同時(shí)，針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，SPM?49采用短路耐受型的IGBT，可承受長(zhǎng)達(dá)5 us以上的短路耐受時(shí)間。安森美半導(dǎo)體已推出的SPM?49是650 V、50A的NFAL5065L4B和650 V、75A的NFAL7565L4B，未來將陸續(xù)推出1200V的10A、25A、35A和50A電流等級(jí)產(chǎn)品。

針對(duì)相同封裝尺寸的SPM?49和Large DIP產(chǎn)品，我們?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示在所有工作頻率 / 輸出電流測(cè)試條件下，安森美半導(dǎo)體的SPM?49產(chǎn)品NFAL7565L4BT的殼溫都比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低。

新的SPM?31用于3kW至5kW的空調(diào)、逆變器、泵和風(fēng)扇

SPM?31引腳兼容M公司的Mini DIP產(chǎn)品，消除客戶對(duì)獨(dú)家供應(yīng)商的擔(dān)憂，采用先進(jìn)的650V溝槽型IGBT和DBC技術(shù)，熱阻降低12%左右，由于引線引腳和螺絲孔兼容設(shè)計(jì)，所以無需PCB再設(shè)計(jì)，且側(cè)面無虛設(shè)引腳的先進(jìn)封裝工藝使爬電距離更遠(yuǎn)，便于散熱器設(shè)計(jì)靈活性改進(jìn)，此外，內(nèi)置熱敏電阻NTC實(shí)現(xiàn)更精確和直接的檢測(cè)，便于客戶的熱設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體已推出的SPM?31產(chǎn)品是650 V、30A的NFAM3065L4B和650 V、50A的NFAM5065L4B，未來將陸續(xù)推出1200V的5A、10A、20A電流等級(jí)產(chǎn)品。

針對(duì)相同封裝尺寸的SPM?31和Mini DIP產(chǎn)品，我們?cè)谙嗤瑮l件下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示在所有工作頻率 / 輸出電流測(cè)試條件下，安森美半導(dǎo)體的SPM?31產(chǎn)品NFAM5065L4BT的殼溫和損耗都比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手低，尤其在更高頻率、重載的情況下，熱性能優(yōu)勢(shì)明顯。

SPM?34用于達(dá)7.5kW的空調(diào)、逆變器、泵和風(fēng)扇

SPM?34覆蓋達(dá)7.5kW的功率等級(jí)，采用先進(jìn)的650V 和1200V 溝槽型的短路耐受 IGBT，和DBC基板技術(shù)，散熱性極佳，在工業(yè)領(lǐng)域有著很多的成功案例。

表1：SPM?34 (達(dá)7.5kW)

成熟的SPM?3V(達(dá)5kW) 廣泛用于從空調(diào)到工業(yè)變頻器領(lǐng)域

SPM?3V產(chǎn)品最高功率等級(jí)為5kW，是最為成熟的IPM產(chǎn)品，從空調(diào)到工業(yè)變頻器領(lǐng)域均有廣泛使用，覆蓋了1200V的10A到20A的系列產(chǎn)品，而600V更是覆蓋了從15A到50A的全電流等級(jí)產(chǎn)品，采用先進(jìn)的650V 和1200V 溝槽型的短路耐受 IGBT，和DBC基板技術(shù)，散熱性極佳，并通過熱偵測(cè)實(shí)現(xiàn)全面的保護(hù)功能。

表2：SPM?3V(達(dá)5kW)

SPM? 45用于500W 至 2.2kW的泵、緊湊型工業(yè)逆變、白家電

SPM? 45是兼顧散熱和成本的高性價(jià)比方案，電流覆蓋從5A 到30A，內(nèi)置自舉二極管和熱敏電阻，引腳復(fù)用功能可滿足客戶更多需求，統(tǒng)一封裝兼容1P到3P空調(diào)，具有極佳的電磁兼容性能、溫度特性，和完善的保護(hù)性能。

表3：SPM? 45(500W 至 2.2kW)

DIP-S6/ DIP-S用于200W至1.1kW的白家電

DIP-S6/DIP-S產(chǎn)品比SPM? 45系列功率密度更高，且內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)芯片可實(shí)現(xiàn)直通保護(hù)，當(dāng)控制型號(hào)將一個(gè)橋臂的上下管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，DIP-S6/DIP-S產(chǎn)品將屏蔽其中一個(gè)信號(hào)，避免橋臂直通損壞模塊。

功率因數(shù)校正(PFC)模塊

在PFC模塊領(lǐng)域，安森美半導(dǎo)體提供適用于無橋PFC、升壓PFC和交錯(cuò)并聯(lián)PFC等各種PFC拓?fù)涞漠a(chǎn)品，高度集成功率器件驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)置熱敏電阻，從而提高功率密度，易于PCB布局和設(shè)計(jì)，電流等級(jí)從20A到75A全部覆蓋。

表4：安森美半導(dǎo)體提供適用于各種PFC拓?fù)涞哪K

值得一提的是，安森美半導(dǎo)體最新的交錯(cuò)式并聯(lián)功率因數(shù)校正模塊NFL25065L4B，其功率器件部分內(nèi)置了兩顆第四代短路耐受能力的IGBT、兩顆碳化硅(SiC)二極管及驅(qū)動(dòng)芯片，無需客戶再進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并集成了單相整流橋二極管，同時(shí)使用熱敏電阻對(duì)殼溫進(jìn)行探測(cè)，具備優(yōu)化的電磁兼容性能，單個(gè)IGBT功耗和在實(shí)際負(fù)載工作條件下的殼溫都較前代FPAM50LH60降低，且導(dǎo)通時(shí)的電流和電壓振鈴都減小，關(guān)斷時(shí)的拖尾電流明顯改善，損耗更小。

SIP方案廣泛用于200 W至1kW的工業(yè)變頻器和泵

SIP系列覆蓋600 V、5A/10A/15A額定值，新的SIP-K采用新的IGBT 及 FRD 工藝、第3代溝槽IGBT、極快速二極管，和IMST基板技術(shù)，比現(xiàn)有SIP 方案實(shí)現(xiàn)更小的封裝尺寸，且引腳定義相同，易于替代，廣泛用于工業(yè)變頻器和泵。

SPM8、SPM5和SPM7用于低于200 W的中小功率等級(jí)的白家電

針對(duì)冰箱、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)和風(fēng)扇風(fēng)機(jī)在內(nèi)的低于200W的中小功率等級(jí)，安森美半導(dǎo)體提供SPM8、SPM5和SPM7產(chǎn)品，其緊湊化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高功率密度需求，最小的SPM7產(chǎn)品將6個(gè)MOS、4個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片和眾多外圍電路集成在一個(gè)拇指蓋大小的模塊中，將風(fēng)扇電機(jī)的物理結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)合二為一。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體提供1200V和650V/600V全系列的IPM產(chǎn)品，最高功率等級(jí)7.5kW，滿足工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、暖通空調(diào)(HVAC)、工業(yè)逆變、泵、工業(yè)風(fēng)扇、白家電等各種應(yīng)用需求，并針對(duì)新興工業(yè)應(yīng)用更緊湊和更高能效的趨勢(shì)持續(xù)開發(fā)新的產(chǎn)品，基于新一代溝槽型的短路耐受IGBT技術(shù)、先進(jìn)的DBC和IMST基板技術(shù)及豐富的封裝，提供更高的能效、功率密度、熱性能和可靠性，助力提升工業(yè)系統(tǒng)能效。而且，安森美半導(dǎo)體的IPM封裝和晶圓基地遍布全球，并不斷擴(kuò)大相關(guān)的晶圓和封測(cè)產(chǎn)能，以滿足日益增長(zhǎng)的客戶需求。