作者

文：英飛凌科技研發部首席工程師Taesung Kwon和技術營銷部高級首席工程師Laurent Beaurenaut

翻譯：田斌

/ 引言 /

大多數家用電器都使用電機來操作其功能，如在洗衣機中轉動滾筒，或者在冰箱中壓縮制冷劑。通過變頻技術來調節電機是一種有效的高能效解決方案。

變頻技術需要使用適當的半導體解決方案。一種行之有效的方法是使用智能功率模塊（IPM）。將功率半導體和驅動電路集成到一個模塊中，有助于系統設計人員提高系統可靠性。這種解決方案簡化了生產裝配工序，并且可以在硬件設計方面節省時間和精力。然而，這樣的緊湊型封裝集成也給散熱帶來了不小的難度。因此，至關重要的是使用高能效半導體來減少器件內部的功率損耗。

英飛凌新近開發的CIPOS Mini IM523經專門設計，適用于在下列應用中控制三相電機：

家用電器所使用的中低功率變速驅動裝置

暖通空調（供暖、通風和空調）系統

工業風扇和驅動裝置（功率高達1.4kW）

這些高能效IPM基于英飛凌最先進的600V逆導型RC-D2 IGBT技術，它們采用DIP 36x21封裝，具備開放式發射極。IM523支持從6A到17A不等的多個電流等級，能夠為終端系統提供最合適的選擇。

對于家用電器而言，600V RC-D2技術極大地提高了性價比。這款智能功率模塊針對低功率驅動應用進行了優化，可以實現低導通損耗和最低開關損耗。特別地，在高開關頻率應用中，IM523系列可以提供行業內最出色的開關損耗和卓越的能效。它的封裝專門針對需要良好的熱傳導和電隔離的功率應用而實現了改良，其封裝和塑封材料還擁有更好的防潮性能。

CIPOS Mini IM523 IPM具備集成式自舉電路，可簡化電路板布線。歸功于其行業標準封裝，可以方便快捷地對現有的Mini IPM進行設計轉換（引腳到引腳兼容），而無需重新設計電路板，從而縮短了產品上市時間。

圖1：CIPOS Mini IM523系列封裝外形概覽

（尺寸：36 mm x 21 mm）

IM523 IPM內部結構

圖2所示為IM523 IPM的內部等效電路。它由6顆RC-D2 IGBT、一顆6通道柵極驅動IC和一個用于溫度監測的熱敏電阻組成。這些元件都安裝在模塊的內部電路板上。為了感測變頻器的負載電流，模塊采用開放式發射極配置，在低邊提供了三個分隔開的發射極端子。

圖2：IM523系列的框圖

它的集成式柵極驅動IC基于英飛凌最先進的絕緣體上硅（SOI）技術。這顆SOI柵極驅動器具備功能絕緣性能，其設計旨在優化RC-D2 IGBT器件的開關性能。它還提供了諸多高級功能，如互鎖、欠壓閉鎖、過流保護、防止重復短路，以及通過內部濾波提高抗噪能力等。有了內部自舉二極管，便無需為高邊開關配備專門的二次電源電路，從而大大降低了總的系統物料成本。

這款IPM的真正與眾不同之處在于600V RC-D2逆導技術。逆導技術主要是將IGBT和續流二極管的功能集成到單顆芯片中。這種集成縮小了芯片的有效尺寸并降低了裝配成本。相比于前幾代逆導技術，RC-D2更加結實耐用，di/dt可控性也更好，從而降低了電磁噪聲。

由于具有低Qrr特性，RC-D2 IGBT的開關損耗比上一代逆導型IGBT降低了50%。然而，性能的提升不能以犧牲結實耐用性為代價。運行過程中的系統故障可能會導致短路事件。所以，IPM模塊必須足夠結實耐用，以免受到此類短路事件的影響。RC-D2開關具有優秀的短路安全工作區（SCSOA），因而可以防止此類事件的發生。通過使用RC-D2技術，IM523 IPM的短路峰值電流水平通常比前幾代產品降低了20%左右，同時還能保持與之相似的短路耐受時間。例如，如果短路持續時間小于6μs，那么，在控制電源電壓為16.5V條件下，IM523 IPM可以安全地關斷峰值約為60A的短路電流。

性能評價

IM523產品擁有更加優化的電氣特性和熱特性，它們為系統性能更上層樓鋪平了道路。在15kHz開關頻率下，當變頻器輸出電流為4A時，這些智能功率模塊的功率損耗降低了25%。

利用三相變頻系統，對IM523的熱性能進行了評估。將它與使用上一代RC-IGBT技術和傳統IGBT及二極管的模塊進行了比較。為了評價每個解決方案的熱性能，測量了各個模塊在實際工作條件下的外殼溫度。測量結果如圖4所示。

圖3：功率損耗仿真測試條件：直流母線電壓=310V，功率模塊控制電壓=15V，開關頻率=15kHz，環境溫度=30°C，散熱片熱阻=3.2°C/W，功率因數=0.8，調制指數=0.8

使用RC-D2的IM523 IPM在熱性能方面優于其競爭對手。當輸出電流為4.3A時，采用上一代RC-IGBT技術的IPM的外殼溫度比IM523 IPM高出5°C。由于其開關性能更好，在相同條件下，IM523 IPM的外殼溫度比使用單獨的IGBT和二極管芯片的IPM低2°C。

圖 4：外殼溫度

結語

全新CIPOS Mini IM523智能功率模塊系列是適用于變速電機驅動應用的優化解決方案。它采用成熟的緊湊型雙列直插式傳遞模封裝，可實現更高能效。得益于RC-D2開關的特性以及其SOI柵極驅動器的高級功能，這些產品可以為IPM解決方案提供性能與結實耐用性兼顧的完美結合。