用於低功率驅動的「功率因數校正+逆變器」 IPM 尺寸僅有21mm x 36mm
針對低功率驅動器優化新型功率因數校正(PFC) + 變頻器的IPM(智能功率模塊)出現了。這是一款集成三相逆變器和單升壓PFC級在一個具有SOI(硅絕緣體)的柵極驅動器中,採用單個小型化DIL(雙列直插式)傳輸模製式封裝。
採用這款新的IPM,系統的尺寸和成本可以大大降低。
概觀
新型IPM的內部電路由逆變器級和PFC級所組成。三相逆變器級具有六個600V額定值的TRENCHSTOPTM IGBT和六個發射極控制二極體,以及一個SOI柵極驅動器IC,其提供集成自舉電路和用於溫度監測的熱敏電阻。PFC級由一個650V額定的TRENCHSTOPTM IGBT和一個具有快速和軟開關特性的快速開關發射極控制二極體組成(圖1)。
圖1:內部電路
降低成本
總成本最小化是系統工程師在開發新電機驅動時最重要的考慮因素。不僅是考慮到IPM本身的材料成本,還要加上散熱片和PCB等材料成本,甚至是產品開發的上市時間,都是計算總成本的主要因素。
小型化傳輸模製式封裝(封裝尺寸和結構)
具有高度集成的新型IPM封裝外形如圖2所示。新型IPM採用緊湊尺寸的英飛凌科技CIPOSTM(控制集成電源系統)小型封裝,僅有21mm x 36mm x 3.1mm的大小,新的IPM符合UL認證(UL 1557 File E314539)和RoHS標準。
圖2:外部視圖
具有良好導熱性的基板採用DCB(直接銅接合)技術,被使用於高熱性能的基板上。圖3顯示了新IPM的截面圖,如IGBT和二極體等所有主要的熱源都安裝在DCB上,以充分利用該封裝的傳熱能力。因此,即使封裝尺寸非常緊湊,新的IPM也可以成為高達3kW電機驅動器的優秀解決方案[1]。
圖3:截面圖
散熱片和PCB尺寸
所有的功率半導體元件(例如橋式整流器,用於PFC的分立IGBT,分立升壓二極體和用於電機驅動的IPM)通常安裝在一個散熱器上以便於散熱。圖4顯示了可以減少的PCB和散熱器尺寸的量,以及通過將分立功率半導體和驅動器集成到一個封裝中,並可以簡化組裝過程[2]。
(a) 離散PFC和逆變器IPM解決方案
(b) 新的IPM解決方案
圖4:散熱器上的安裝配置
(a 前面)
(b 背面)
開發速度更快(參考板,圖5和圖6)
新的電路設計,圖稿和PCB組件在系統開發過程中需要花費很多時間。為了減少在此過程中花費的時間,並快速確定新的IPM是否可以運行電機,已經開發出參考板了。操作電機的最小外設可安裝在電路板上,其他像是PWM信號,+5 / +15V直流電源,PFC電感,直流鏈電解電容,都可利用從電路板外部通過電線來連接至參考板。
圖5:參考板結構
圖6:參考板的應用實例
650V額定PFC級
英飛凌科技根據其PFC IGBT特性開發出兩種產品,它們是20kHz開關頻率的High Speed 3(HS3)和用於40kHz開關頻率的TRENCHSTOPTM 5(TS5),如表1所列。英飛凌的快速發射極控制二極體被優化為在PFC拓撲中,與作為升壓二極體的TRENCHSTOPTM IGBT一同工作,它結合了低VF以降低傳導損耗和低Irr以減少IGBT的Eon [3]。所有功率器件具有650V的額定電壓,並且對不穩定的交流電網提供了更高的可靠性和耐用性[4]。
表1:產品陣容,額定值和目標切換頻率
逆變器級的特點
逆變器級具有多種逆變器安全運行功能。這些功能可以通過堅固的SOI柵極驅動器和熱敏電阻來實現。
? 在VBS=15V時信號傳輸允許高達-11V的負VS電位
? 集成引導功能
?所有通道都可欠壓閉鎖
? 預防交叉傳導
? 在保護期間將所有六個開關關閉
? 過電流關機
? 溫度監視器
過電流保護
新的IPM監控ITRIP引腳的電壓,當電壓超過VIT,TH+(正向閾值電壓)時,故障信號被激活,所有六個IGBT都會被關閉。最大過電流斷路電平通常設定為額定集電極電流的兩倍以下[5]。
圖7:過電流保護時間表
過溫保護
對於過溫保護功能,熱敏電阻已經集成在該IPM中。電阻在25℃時通常為85kΩ,在100℃時電阻為5.4kΩ(圖8)。
圖8:熱敏電阻與溫度的關係
如圖9所示,VFO引腳與微控制器的ADC和故障檢測端子直接連接,因為熱敏電阻與具有開漏配置的故障輸出端並聯。例如,當上拉電阻R1在約100℃時為3.6kΩ,VFO電壓在Vcrt=5V時為2.95V(典型值),在Vcrt=3.3V時則為1.95V,如圖10所示。
圖9:過溫保護電路
圖10:VFO電壓與溫度的關係
熱評估
圖11是測試電路和測量波形,顯示了測試系統的運行狀態,用於評估輸入功率為2kW的熱性能。工作條件為PFC控制器=ICE2PCS05G,輸入電源PIN=2kW,交流輸入電壓VIN=220V/60Hz,直流鏈路電壓VDC=400V,逆變器開關頻率=5kHz,PFC開關頻率=20kHz,R-L負載(R = 13.75Ω,L = 2.96mH,功率因數=0.99),MI=0.69,柵極電阻器柵極電阻器Rg=5.1Ω,環境溫度Ta=25℃。被測設備是IFCM15S60GD,輸入功率因數約為0.995,THD約為9.78%。
(a. 測試電路)
(b. 波形)
圖11:新IPM的測試電路和波形
在PFC IGBT位置下的外殼溫度為最高點約為67.5℃,高於逆變器部件。IFCM15S60GD足以應付超過2kW的功率。
(a. 溫度測量點)
(b. 溫度圖)
圖12:新型IPM(IFCM15S60GD)的溫度測量點和測試結果
總結
新的智能功率模塊是用於如室內空調變速電機驅動的逆變器和PFC拓撲結構的最佳解決方案。英飛凌科技擁有所有必要的技術,並致力於為客戶提供實現緊湊型和高效率的解決方案,從而最大限度地減少系統尺寸,總成本和上市時間。
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