IPM—CIPOS? Nano IPM：適用于受限空間并擁有通過(guò)PCB散熱的性能

當(dāng)前很多應(yīng)用設(shè)備安裝在空間受限的環(huán)境中，如PCB板內(nèi)置式電機(jī)等。由于空間有限，這類環(huán)境往往沒(méi)有空氣流動(dòng)，也無(wú)法應(yīng)用如散熱器等額外散熱裝置。在環(huán)境受限的應(yīng)用中使用的產(chǎn)品需要留有足夠的熱裕量，并能夠有效地消除運(yùn)行期間功率損耗導(dǎo)致環(huán)境溫度升高而產(chǎn)生的多余熱量。

在本文中，我們將主要介紹英飛凌的CIPOS? Nano IPM系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品可通過(guò)PCB板散熱，從而能夠在空間受限的環(huán)境中工作。

圖1 PCB板內(nèi)置式電機(jī)的受限內(nèi)部空間

單相 220 VAC的應(yīng)用

一些小型電機(jī)將PCB安裝在電機(jī)本體內(nèi)以減小整體體積，這類電機(jī)主要用于空調(diào)室內(nèi)風(fēng)機(jī)、吊扇、空氣凈化器或通風(fēng)設(shè)備等應(yīng)用場(chǎng)合，如圖2所示。在這些應(yīng)用中，電機(jī)的普遍額定功率范圍為40~60W。

圖2 40~60W電機(jī)的典型應(yīng)用場(chǎng)合

在這些應(yīng)用中，電機(jī)通常處于很少或甚至沒(méi)有空氣的環(huán)境下運(yùn)行，無(wú)法通過(guò)空氣對(duì)流來(lái)釋放熱量，器件需通過(guò)PCB板的表面進(jìn)行散熱，因此當(dāng)IPM在空間受限的環(huán)境中使用時(shí)，必須嚴(yán)格進(jìn)行熱損耗計(jì)算。

圖3（a）描述了功率FET的熱量通過(guò)PCB板釋放的過(guò)程。IPM設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保其連接到FET的引線框架能夠與PCB板直接接觸，使產(chǎn)生的熱量直接通過(guò)PCB板釋放。

英飛凌的小型3相CIPOSTM Nano IPM系列產(chǎn)品（12 x 12 x 0.9 mm3）因其優(yōu)異的散熱特性而被這類電機(jī)所采用，該產(chǎn)品將一個(gè)6通道柵極驅(qū)動(dòng)器和6個(gè)MOSFET集成在同一個(gè)封裝內(nèi)，如圖3（b）所示。

由于220VAC電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的母線電壓VDC為311V，額定電壓500V 的CIPOS? Nano IPM能滿足這類應(yīng)用等電壓要求，同時(shí)其還具有過(guò)流保護(hù)功能，且故障消除時(shí)間可通過(guò)設(shè)置R和C的值來(lái)確定。

圖3（c）給出了一個(gè)無(wú)傳感器電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用電路，該電路采用了英飛凌電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制IC IRMCF171，其中IPM的故障輸出引腳連接到IRMCF171的GATEKILL引腳，允許控制器在發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉所有的柵極控制信號(hào)。

圖3 （a）CIPOSTM Nano IPM通過(guò)PCB板直接散熱

（b）12x12 mm2 PQFN封裝CIPOSTM Nano IPM

（c）應(yīng)用電路示例

通過(guò)熱量測(cè)試測(cè)量功率容量

如上所述，CIPOS? Nano IPM產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)PCB板來(lái)進(jìn)行釋放，然而這需要通過(guò)熱測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。圖4（a）給出了PCB布局和使用熱成像儀對(duì)其進(jìn)行熱測(cè)量的結(jié)果。CIPOS? Nano IPM安裝在敷銅為1盎司的PCB板上，在環(huán)境溫度25℃且沒(méi)有氣流的環(huán)境中，采用不連續(xù)SVPWM方式運(yùn)行時(shí)可輸出電流為500mA。在三相SVPWM運(yùn)行方式中，該IPM的輸出電流高達(dá)480mA。此時(shí)，當(dāng)開關(guān)頻率為6kHz時(shí)，輸出到電機(jī)的功率為65W左右，如圖4（b）所示。

圖4 （a）PCB布局和熱成像儀測(cè)量結(jié)果

（b）PCB敷銅為1盎司時(shí)最大電機(jī)功率

（c）PCB敷銅為1盎司時(shí)增加電機(jī)功率

當(dāng)使用PCB敷銅為2盎司時(shí)，可以獲得更大輸出電流。同樣采用6kHz的開關(guān)頻率，此時(shí)IPM的電流能力從500mA增加到580mA，同比增長(zhǎng)16％。如果開關(guān)頻率為20kHz，模塊電流輸出能力可從370mA增加到460mA，增加23％。

為了獲得更大的電流輸出能力，可以將絕緣散熱膜直接應(yīng)用于PCB板上。

圖5 （a）采用絕緣散熱膜PGS+SSM后的最大輸出功率（b）使用絕緣散熱膜后結(jié)溫從137℃降低到88℃

如圖5（b）所示，在PCB板上使用40x40mm2絕緣散熱膜時(shí)，模塊結(jié)溫從137℃降至88℃。此時(shí)在6kHz的開關(guān)頻率下，模塊電流能力可從500mA增加到650mA，相對(duì)增加30％。而在開關(guān)頻率20kHz時(shí)，其電流能力可以從370mA增加到530mA，相對(duì)增加42％。

低壓風(fēng)機(jī)及電池驅(qū)動(dòng)型電機(jī)中的應(yīng)用

某些電機(jī)應(yīng)用中會(huì)采用額定電壓低于100VDC的低壓風(fēng)機(jī)。這類風(fēng)機(jī)通常由24V或48V的直流電源或電壓60V以下的電池來(lái)供電。對(duì)于這類應(yīng)用，CIPOS? Nano IPM系列產(chǎn)品中的 40V/80A的IRSM005-800MA或100V/30A的IRSM005-301MA等半橋低壓IPM能夠滿足其需求。這類IPM的機(jī)械設(shè)計(jì)理念與前面所講的3相IPM相同，其引線框架與封裝表面（即PCB）之間也有著直接的熱接觸。

圖6（a）采用7x8 mm2 PQFN封裝的40V/80A和100V/30A 半橋式低壓CIPOS? Nano IPM

（b）配有自舉二極管/電容和柵極電阻的應(yīng)用電路

使用IRSM005系列IPM進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只需要在其外圍電路中增加一個(gè)自舉二極管、自舉電容和柵極電阻。通過(guò)對(duì)這些CIPOSTM Nano IPM系列產(chǎn)品進(jìn)行靈活的半橋配置，可充分滿足單相應(yīng)用、H橋或3相應(yīng)用的需求。

結(jié)論：

在本文中，我們已經(jīng)說(shuō)明了PCB板內(nèi)置式電機(jī)在空間受限的環(huán)境中應(yīng)用時(shí)克服缺少氣流和散熱器的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要留有足夠的熱裕量，且在過(guò)程中使用熱像儀或其他技術(shù)進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量。