3.4DIPIPM 的PCB設計

講座導語

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業和汽車空調等領域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎、功能、應用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產品。

3.4.2

DIPIPM的PCB設計推薦布線和不良（NG）布線舉例

通常DIPIPM在功率變換裝置中起逆變作用，主要功能是把來自母線的直流電通過IGBT等功率器件的有序開關逆變成電壓、頻率可調的交流電供驅動負載使用。其工作的主要特點是高溫、高壓、大電流、開關速度快。DIPIPM內部既有IGBT等功率器件，又有用于驅動的HVIC、LVIC，因而又是一種典型的復合器件，內部既有強電又有弱電，既有高溫工作器件又有低溫工作器件，在DIPIPM的PCB布線中必須考慮這些不同的器件對于布線的不同要求及它們之間的兼容性。良好的布線有助于提高DIPIPM的安全性、穩定性及壽命，降低PCB控制板的噪聲水平。為了更好地理解良好的布線與NG（不良）布線的區別，本節將對主電路地線設計、吸收電容的位置、控制電源地線設計、自舉電源設計、PWM控制信號走線，短路（SC）保護的推薦布線及NG（不良）布線進行介紹。

主電路地線設計舉例

圖4｜主電路地線設計

上圖4給出了DIPIPM主電路地線的推薦走線和不良走線例，其中VN是由主電路地線寄生電感導致的噪聲，在實際布線中，需要將主電路地線設計得最短，以降低噪聲VN。

吸收電容的位置

圖5｜吸收電容的位置

上圖5給出了用于吸收母線浪涌電壓的吸收電容的推薦位置。實際PCB布線中，如果吸收電容的位置被安排在位置（1），由于吸收電容距離DIPIPM較遠，存在母線寄生電感，使吸收電容對DIPIPM的P-N間浪涌吸收能力下降；如果吸收電容位置在（2）的位置，由于吸收電容和引線電感產生的充放電電流將流過旁路電阻，在旁路電路上產生壓降及噪聲，可能導致DIPIPM誤保護；位置（3）是推薦的吸收電容的位置，該位置既考慮了吸收效果，又避免了在旁路電阻上產生噪聲。

控制電源地線設計

圖6｜控制電源地線設計

上圖6給出了DIPIPM控制電源地線的推薦走線和不良走線例，其中VN是由于主電路地線和控制電源地線部分重合導致的噪聲，在實際布線中，需要將控制電源地線與主電路地線的重合部分設計得最短，控制電源地線盡可能地靠近旁路電阻的端子，通過單點方式與主電路地線連接以降低噪聲。

自舉電源設計

圖7｜自舉電源設計

上圖7給出了DIPIPM自舉電源地線的推薦走線和不良走線例，需要特別指出的是，由于DIPIPM上橋臂三路15V電源采用了自舉方式進行供電，其自舉15V電源的地同時也是DIPIPM電流輸出端子U、V、W，因而自舉電源電路屬于強電，在PCB布線中，需要將自舉電路作為強電對待，保證與弱電的足夠電氣距離。U、V、W端子的輸出線路在DIPIPM工作時需要流過大電流，其走線上的寄生電感會在U、V、W輸出線路上產生噪聲，這就要求自舉15V電源的地線走線盡可能靠近模塊端子，以減小與U、V、W輸出走線的重合，降低自舉15V電源上的噪聲。對于諸如SLIMDIP系列的DIPIPM，由于自舉電源的地線集成在了模塊內部，因此不再需要PCB上的自舉15V電源地線走線，也不需要考慮圖7所示的自舉電源布線問題。

PWM控制信號走線

圖8｜PWM控制信號走線

DIPIPM工作時需要輸入6路PWM控制信號，這6路PWM控制信號為弱電，可以與單片機的輸出管腳直接連接，PWM控制信號通常為5V或3.3V，這個信號容易受到噪聲的干擾，在PCB布線時，需要特別注意對PWM控制信號走線的保護，不要把PWM控制信號布線與強電布線距離太近，或與強電信號發生交叉，如上圖8所示。

短路（SC）保護相關布線

圖9｜短路（SC）保護部分設計

DIPIPM具有短路（SC）保護功能，在輸出發生短路時，可以及時地關閉IGBT來保護DIPIPM模塊。短路（SC）保護電路的布線需要盡可能地靠近旁路電阻的端子以避免干擾的產生。如圖9所示，如果紅顏色的短路（SC）保護電路布線距離旁路電阻端子太遠，會在短路保護檢測管腳Cin引入噪聲，可能導致短路保護的誤動作。

3.4.3

單個PCB上有多個DIPIPM時的PCB設計要點

目前，越來越多的DIPIPM被應用于空調變頻壓縮機驅動、伺服、直流風扇電機驅動等逆變器，以節省能源。對于某些應用，需要將多個DIPIPM設計在同一PCB板上，以減小逆變器的尺寸和降低逆變器的成本。與單個PCB上有1個DIPIPM相比，單個PCB上有多個DIPIPM，在PCB布局和噪聲抑制方面要困難得多。本節將介紹在單個PCB板上設計多個DIPIPM時的布線注意事項，并給出典型布線案例。

與單個PCB上只有一個DIPIPM相比，多DIPIPM集成到1個PCB板上，可以減小控制器的體積，從而降低成本，與此同時，在PCB相關布線時，不同的DIPIPM之間在工作時不可避免地相互影響，導致PCB布線難度加大。在進行多DIPIPM布線時，首先需要了解各個DIPIPM的不同規格及在電路中的不同功能，根據規格和功能進行總體布局。如1個大電流的DIPIPM與1個小電流的DIPIPM搭配在一起，布線時應優先考慮大電流的DIPIPM相關布線；如果兩個電流規格完全一樣的DIPIPM共用1個PCB板，設計時需要考慮二者的布線對稱；如果3個以上的DIPIPM共用1個PCB板，則需要考慮如何把DIPIPM根據電流大小或功能進行分組布線。多DIPIPM共用1個PCB板的另1個布線難點是DIPIPM的地線設計，多DIPIPM可能導致在PCB上存在多個地線環路，地線環路特別是功率地線的環路容易導致噪聲增加，使DIPIPM的工作穩定性下降。通常建議每個DIPIPM的控制地分別與自身的強電地采用單點接地，再通過在不同的DIPIPM地線環路中增加0歐電阻或小電感，減小地線環路間的相互影響。下圖10、圖11、圖12分別給出了1個大電流的DIPIPM搭配一個小電流DIPIPM、2個大電流的DIPIPM搭配、3個以上DIPIPM搭配的PCB典型走線布局。

典型布局1

圖10｜典型布局1

該布局的優點：共用母線電容、15V電源和DSP芯片，減少了PCB面積，成本較低。

常見應用：1個大電流DIPIPM和一個小電流DIPIPM應用，如空調壓機驅動+風機驅動。

典型布局2

圖11｜典型布局2

該布局的優點：母線電容分為2部分，共用15V電源和DSP芯片以及部分母線電容，減少PCB面積；

常見應用：2個大電流DIPIPM應用，如3相PFC+3相逆變、伺服驅動器等。

典型布局3

圖12｜典型布局3

該布局的優點：采用各自獨立的母線電容，母線電壓更穩定。共用15V電源和DSP芯片，減少PCB面積。

常見應用：3個以上DIPIPM應用，如伺服、EV A/C（電動汽車空調）等。

本講總結

本講主要介紹了DIPIPM的典型PCB布線設計要點。給出了推薦的DIPIPM PCB布線及不良的DIPIPM PCB布線例，并分享3個典型多個DIPIPM的PCB設計典型布局。

主要術語說明

DIPIPM、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機株式會社注冊商標。

DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）。

PCB→印刷線路板（Printed Circuit Board）。

DSP→數字信號處理器（Digital Signal Process）。

PFC→功率因數校正（Power Factor Correction）。

審核編輯：湯梓紅