白家电器变频智能功率模块IPM技术及解决方案

随着世界各国持续关注节能问题,节能消费品的需求持续上升,尤其是冰箱、洗衣机、空调等白色家电。 除了节能之外,白色家电设计的挑战还包括尺寸、散热、可靠性、噪音和外观设计。 如今,无刷直流 (BLDC) 电机(或“电机”)具有显着的节能效果、低噪音和出色的变速性能,越来越多地应用于白色家电设计中。 据统计,高端冰箱可能使用5个或更多电机,空调各使用2个室外机和2个室内机,洗衣机/烘干机、洗碗机等通常也使用2个电机,这就需要高端能源——高效的电机驱动/控制解决方案。

 

变频器技术已被开发用于以高能效驱动工业和家用电器中使用的电机。 该技术需要绝缘栅双极晶体管(IGBT)和快恢复二极管(FRD)等功率器件以及控制IC和无源元件。 智能功率模块(IPM)将这些组件高密度封装在一起(见图1),以驱动高能效电机,满足白色家电低能耗、小尺寸、轻重量和高可靠性的要求。 IPM内置高击穿电压驱动IC、高击穿电压大电流IGBT、快恢复二极管、栅极电阻、驱动上部IGBT的启动二极管和IGBT栅极电阻、以及检测发热的热敏电阻。 用于过流保护等的分流电阻,用于逆变电路。 IPM 提供低损耗、多种封装类型和宽电流范围。

图 1:典型的逆变器 IPM 将多个组件封装成模块。

图 2 显示了典型的空调电源电路模块。 在本例中,逆变器IPM用于驱动空调压缩机和室外风扇。 逆变器IPM采用微控制器(MCU)来工作。 IPM模块高速开关电源提供更精准的控制,实现更节能的空调工作。

图 2:空调逆变器 IPM 应用示例。

安森美逆变器IPM技术特点及优势

安森美半导体积极推动节能创新,针对包括白色家电电机控制和驱动在内的工业和消费应用推出了一系列新型IPM产品,可驱动10A至50A的输出负载电流。该系列IPM产品匹配拥有丰富的分立电机控制元件(包括电机控制器、IGBT和MOSFET)产品线,为客户提供更多选择。

安森美半导体是全球第一家采用绝缘金属基板技术 (IMST®) 基板技术开发逆变器 IPM 的公司。 该技术在铝板(即金属基板)上构建电子电路。 IMST 技术使多个组件能够封装在同一模块 IC 中,包括分立无源组件(例如电阻器和电容器)、分立有源组件(例如二极管和晶体管)以及更复杂的 IC 或专用集成电路 (ASIC),例如栅极驱动器、 IMST还可以将电源输出电路、控制电路和外围电路安装在同一基板上。

图3:安森美半导体基于IMST技术的IPM结构示意图。

图 3 中从下到上的典型横截面显示了高导热性铝基板,该基板具有出色的热性能和机械性能,并覆盖有绝缘层,然后覆盖有用于电气布线的铜箔。 该横截面还揭示了 IMST 技术的一个独特特征,即不存在任何充当绝缘体或机械基板的陶瓷层。 因此,IMST技术的接地性能优于任何基于陶瓷的混合电路。 安装在电源模块上的组件可能会遇到焊点可靠性问题:无论是在无源组件到基板的接口处还是在芯片到基板的接口处。 为了提高可靠性,安森美半导体采用包覆成型技术来增强机械粘合力。 这极大地提高了可靠性并减少了焊点上的机械应力。 因此,安森美基于IMST技术的IPM具有结构优势。

将安森美半导体的IPM使用的IMST结构与竞争公司的框架结构进行比较(见图4)可以看出,竞争公司使用的框架结构由于布局和布线问题,很难将片式电阻器和片式电阻器集成。 电容器和其他无源元件。 然而,安森美半导体的IPM可以用最少的布线直接将任何元件安装在铝基板上。 此外,板上还可以安装分流电阻,这样可以减小模块尺寸并减少元件数量。 [页]

图4:安森美半导体IPM的IMST结构可以降低总成本。

不仅如此,与分立器件解决方案相比,安森美半导体IPM采用的IMST技术还提供更灵敏、更高精度的温度检测,实现更可靠的散热保护。 IMST 技术受益于铝板的高导热性。 热保护取决于控制装置检测到热变化的距离和时间。 分立器件方案的温度检测距离较远,导致检测延迟。 IMST技术在模块中内置了热敏电阻,因此可以以高度受控的方式监控检测时间和对快速加热事件的灵敏度,从而实现延迟时间短、检测性能高和可靠的散热保护,见图5。

图5:IMST技术提供更好的温度检测和更可靠的散热保护。

IMST技术的另一个重要优势是其电路能力。 由于内置了用于电流检测的分流电阻,因此可以在不超过3微秒的时间内实现短路保护,因为模块内用于电流保护的元件彼此非常接近。 安森美半导体的 IMST 技术可以在 PCB 上安装不同的元件。 因此,可以减少PCB,使PCB更容易设计并缩短最终产品的设计时间。

安森美半导体的 IMST IPM 可帮助显着减少组件数量,并有助于降低系统总成本。 。 以安森美半导体的STK551U362A-E IPM为例,它只需要电容、电阻和二极管等11个外围元件,而具有相同功能的竞品可能有多达23个外围元件。

IMST IPM的其他优点包括噪声抑制、浪涌电压降低等。降低电机噪声是白色家电设计工程师面临的设计挑战之一。 安森美半导体的 IMST 技术有效降低开关 EMC/EMI 噪声,因为铝金属基板和铜箔图案之间的绝缘树脂会产生分布电容。 此外,在IPM等高压大电流器件的脉宽调制(PWM)开关操作过程中,当开关关断时,会产生由布局和绕组中的寄生电感引起的瞬态高压尖峰。 然而,IMST 基板本质上抑制高电压并降低噪声,因为模块内的布线已经过预先测试并且具有最小的固有寄生参数,这可以降低浪涌电压。

安森美的IPM在能效表现上更有优势。 相同条件下的测试结果表明,安森美半导体的IPM模块能耗更低,能效提高10%以上。 更节能的解决方案本质上有助于减小散热器尺寸、提高可靠性并解决白色家电设计挑战。

图 6:安森美半导体的 IPM 消耗更少的能源,并且更加节能。

安森美半导体的IPM采用单列直插式封装(SIP)型封装,提供安装灵活性,可以通过引线成型水平或垂直安装模块。 当使用垂直安装时,它具有空间优势,因为占地面积和 PCB 面积相应较小。 SIP结构简化了布局并有助于缩短PCB设计时间。 为了满足不同客户的需求,安森美半导体还计划提供双列直插式封装(DIP)的IPM。

安森美半导体逆变器IPM产品阵容

安森美半导体提供一系列创新型 IPM,包括单分流电阻器类型和三分流电阻器类型。 公司创新、智能、高度集成的解决方案帮助设计工程师解决他们面临的挑战。 此外,安森美半导体的产品符合UL标准认证要求,可帮助客户缩短设计和评估时间。

表 1:安森美半导体的逆变器 IPM 产品阵容。

总结:

安森美半导体基于 IMST 技术的 IPM 提供多种技术优势,为白色家电设计工程师解决各种设计问题。 由于IPM模块的紧凑设计和小占位面积集成了多种内置特性和智能功能,工程师可以简化设计、减少电路板空间、提高可靠性、减少元件数量并降低元件总成本。

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