如何借助IPM智能功率模块提高白色家电的能效
作者
文：英飞凌科技研发部首席工程师Taesung Kwon和技术营销部高级首席工程师Laurent Beaurenaut
翻译：田斌
/ 引言 /
大多数家用电器都使用电机来操作其功能，如在洗衣机中转动滚筒，或者在冰箱中压缩制冷剂。通过变频技术来调节电机是一种有效的高能效解决方案。
变频技术需要使用适当的半导体解决方案。一种行之有效的方法是使用智能功率模块（IPM）。将功率半导体和驱动电路集成到一个模块中，有助于系统设计人员提高系统可靠性。这种解决方案简化了生产装配工序，并且可以在硬件设计方面节省时间和精力。然而，这样的紧凑型封装集成也给散热带来了不小的难度。因此，至关重要的是使用高能效半导体来减少器件内部的功率损耗。
英飞凌新近开发的CIPOS Mini IM523经专门设计，适用于在下列应用中控制三相电机：
家用电器所使用的中低功率变速驱动装置
暖通空调（供暖、通风和空调）系统
工业风扇和驱动装置（功率高达1.4kW）
这些高能效IPM基于英飞凌最先进的600V逆导型RC-D2 IGBT技术，它们采用DIP 36x21封装，具备开放式发射极。IM523支持从6A到17A不等的多个电流等级，能够为终端系统提供最合适的选择。
对于家用电器而言，600V RC-D2技术极大地提高了性价比。这款智能功率模块针对低功率驱动应用进行了优化，可以实现低导通损耗和最低开关损耗。特别地，在高开关频率应用中，IM523系列可以提供行业内最出色的开关损耗和卓越的能效。它的封装专门针对需要良好的热传导和电隔离的功率应用而实现了改良，其封装和塑封材料还拥有更好的防潮性能。
CIPOS Mini IM523 IPM具备集成式自举电路，可简化电路板布线。归功于其行业标准封装，可以方便快捷地对现有的Mini IPM进行设计转换（引脚到引脚兼容），而无需重新设计电路板，从而缩短了产品上市时间。
图1：CIPOS Mini IM523系列封装外形概览
（尺寸：36 mm x 21 mm）
IM523 IPM内部结构
图2所示为IM523 IPM的内部等效电路。它由6颗RC-D2 IGBT、一颗6通道栅极驱动IC和一个用于温度监测的热敏电阻组成。这些元件都安装在模块的内部电路板上。为了感测变频器的负载电流，模块采用开放式发射极配置，在低边提供了三个分隔开的发射极端子。
图2：IM523系列的框图
它的集成式栅极驱动IC基于英飞凌最先进的绝缘体上硅（SOI）技术。这颗SOI栅极驱动器具备功能绝缘性能，其设计旨在优化RC-D2 IGBT器件的开关性能。它还提供了诸多高级功能，如互锁、欠压闭锁、过流保护、防止重复短路，以及通过内部滤波提高抗噪能力等。有了内部自举二极管，便无需为高边开关配备专门的二次电源电路，从而大大降低了总的系统物料成本。
这款IPM的真正与众不同之处在于600V RC-D2逆导技术。逆导技术主要是将IGBT和续流二极管的功能集成到单颗芯片中。这种集成缩小了芯片的有效尺寸并降低了装配成本。相比于前几代逆导技术，RC-D2更加结实耐用，di/dt可控性也更好，从而降低了电磁噪声。
由于具有低Qrr特性，RC-D2 IGBT的开关损耗比上一代逆导型IGBT降低了50%。然而，性能的提升不能以牺牲结实耐用性为代价。运行过程中的系统故障可能会导致短路事件。所以，IPM模块必须足够结实耐用，以免受到此类短路事件的影响。RC-D2开关具有优秀的短路安全工作区（SCSOA），因而可以防止此类事件的发生。通过使用RC-D2技术，IM523 IPM的短路峰值电流水平通常比前几代产品降低了20%左右，同时还能保持与之相似的短路耐受时间。例如，如果短路持续时间小于6μs，那么，在控制电源电压为16.5V条件下，IM523 IPM可以安全地关断峰值约为60A的短路电流。
性能评价
IM523产品拥有更加优化的电气特性和热特性，它们为系统性能更上层楼铺平了道路。在15kHz开关频率下，当变频器输出电流为4A时，这些智能功率模块的功率损耗降低了25%。
利用三相变频系统，对IM523的热性能进行了评估。将它与使用上一代RC-IGBT技术和传统IGBT及二极管的模块进行了比较。为了评价每个解决方案的热性能，测量了各个模块在实际工作条件下的外壳温度。测量结果如图4所示。
图3：功率损耗仿真测试条件：直流母线电压=310V，功率模块控制电压=15V，开关频率=15kHz，环境温度=30°C，散热片热阻=3.2°C/W，功率因数=0.8，调制指数=0.8
使用RC-D2的IM523 IPM在热性能方面优于其竞争对手。当输出电流为4.3A时，采用上一代RC-IGBT技术的IPM的外壳温度比IM523 IPM高出5°C。由于其开关性能更好，在相同条件下，IM523 IPM的外壳温度比使用单独的IGBT和二极管芯片的IPM低2°C。
图 4：外壳温度
结语
全新CIPOS Mini IM523智能功率模块系列是适用于变速电机驱动应用的优化解决方案。它采用成熟的紧凑型双列直插式传递模封装，可实现更高能效。得益于RC-D2开关的特性以及其SOI栅极驱动器的高级功能，这些产品可以为IPM解决方案提供性能与结实耐用性兼顾的完美结合。
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