安森美半导体应用于白家电的变频器智能功率模块(IPM)技术及方案

由于世界各国不断关注节能问题，使节能型消费类产品的需求持续上升，尤其是电冰箱、洗衣机和空调等白家电产品。除了节能，白家电设计的挑战包括尺寸、散热、可靠性、噪声及外观设计等。如今，在白家电设计中具有显著节能、低噪声和优异变速性能等特性的无刷直流(BLDC)电机(或称“马达”)应用越来越广泛。据统计，高档电冰箱中可能会使用5个或以上电机，空调的室外机及室内机各使用2个，洗衣机/烘干机、洗碗机等通常也会使用2个电机，这就需要高能效的电机驱动/控制方案。

变频器技术的开发旨在高能效地驱动用于工业及家用电器的电机。此技术要求像绝缘门双极晶体管(IGBT)、快速恢复二极管(FRD)这类的功率器件，以及控制IC和无源元件。智能功率模块(IPM)将这些元器件高密度贴装封装在一起(见图1)，高能效地驱动电机，配合白家电对低能耗、小尺寸、轻重量及高可靠性的要求。IPM内置高击穿电压的驱动器IC、高击穿电压及大电流IGBT、快速恢复二极管、门极电阻、用于驱动上边IGBT及IGBT门极电阻的启动二极管、用于检测发热的热敏电阻、用于过流保护的分流电阻等，用于变频器电路。IPM提供低损耗，包含多种封装类型，电流范围宽。

图1：典型变频器IPM将多种元器件封装为模块。

图2显示的是用于空调的典型电源电路模块。在这个示例中，变频器IPM用于驱动空调压缩机及室外风扇。变频器IPM采用微控制器(MCU)来工作。IPM模块高速开关电源，提供更精密控制，实现更高能效的空调工作。

图2：用于空调的变频器IPM应用示例。

安森美半导体变频器IPM技术特征及优势

安森美半导体积极推动高能效创新，推出了用于工业及消费应用包括白家电电机控制及驱动的一系列新的IPM产品，能驱动从10 A至50 A输出负载电流。这系列IPM产品相配宽广阵容的分立电机控制元器件(包括电机控制器、IGBT及MOSFET)，为客户提供更多的选择。

安森美半导体是全球第一家开发出变频器IPM使用绝缘金属基板技术(IMST®)基板技术的公司。此技术在铝板，也就是在金属基板上搭建电子电路。IMST技术使多种元件能够封装在同一个模块IC中，包括电阻和电容等分立无源元件、二极管和晶体管等分立有源元件，以及更复杂的IC或专用集成电路(ASIC)，如门极驱动器、数字信号处理器(DSP)、逻辑元件等。IMST也能使功率输出电路、控制电路及其外围电路贴装在相同基板上。

图3：安森美半导体基于IMST技术的IPM结构示意图。

图3中从底到顶的典型横截面显示提供极佳热性能和机械性能的高热导率铝基板，覆盖在铝基板上面的是绝缘层，再上面是用于电气布线的铜箔。这横截面图也揭示了IMST技术的一项独特特性，那就是不存在任何用作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。贴装在功率模块上的元器件可能会遇到焊点可靠性的问题：要么是在无源器件到基板的接口，要么是在裸片至基板的接口。为了提高可靠性，安森美半导体使用嵌件(over-molding)技术，加强机械粘合性。这就大幅增强可靠性，减小焊点的机械应力。因此，安森美半导体基于IMST技术的IPM具结构上的优势。

把安森美半导体的IPM所采用的IMST结构与竞争公司的框架结构比较(见图4)，可以看出竞争公司使用的框架(frame)结构因为布局和布线问题，难于集成片式电阻及片式电容等无源元件。但安森美半导体的IPM可以在铝基板上直接贴装任何元器件，只需极少绕线。此外，还可以在板上贴装分流电阻，能够减小模块尺寸并减少元器件数量。

图4：安森美半导体IPM的IMST结构能降低总成本。

不仅如此，跟分立器件方案相比，安森美半导体IPM使用的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技术能够从铝板的高热传导率受益。热保护取决于控制器件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技术在模块中内置热敏电阻，故以高度受控的方法监测检测时间及针对快速发热事件的灵敏度，因而延迟时间短，检测性能高，提供可靠的散热保护，参见图5。

图5：IMST技术提供更优异的温度检测，提供更可靠的散热保护。

IMST技术的另一项重要优势是其电路功能。由于内置了用于检测电流的分流电阻，就可以在不超过3微秒时间内实现短路保护，因为用于电流保护的元件在模块内的布局位置很近。安森美半导体的IMST技术能够将不同元器件贴装在PCB上，因此，能够减小PCB，使PCB易于设计，缩短终端产品的设计时间。

安森美半导体的IMST IPM能够帮助大幅减少元件数量，帮助降低系统总成本。。以安森美半导体的STK551U362A-E IPM为例，仅需电容、电阻及二极管等外围元件11颗，而相同功能的竞争产品的外围元件数量可能高达23颗。

其它的IMST IPM优势，还包括噪声抑制、降低浪涌电压等。降低电机噪声是白家电设计工程师面对的设计挑战之一。安森美半导体的IMST技术有效降低开关EMC/EMI噪声，因为铝金属基板与铜箔图案之间的绝缘树脂产生了分布式电容。此外，像IPM这样的高压、大电流器件，在进行脉宽调制(PWM)开关工作期间，开关关断时会产生由布局及绕线中寄生电感导致的瞬态高压尖峰。但IMST基板本质上会抑制高压并降低噪声，因为模块内的布线经过了预测试，固有寄生参数极小，能够降低浪涌电压。

安森美半导体的IPM在能效性能方面则更有优势。在相同条件下的测试结果显示，安森美半导体的IPM模块的能耗更低，能效高出10%甚至更高。更高能效的方案在本质上帮助减小散热片尺寸，提升可靠性，解决白家电的设计挑战。

图6：安森美半导体的IPM能耗更低，能效更高。

安森美半导体的IPM 采用单列直插式封装(SIP)型封装，这种封装提供贴装的灵活性，能够以引线成形方式将模块水平或垂直贴装。采用垂直贴装时，由于占位面积及PCB面积相应较少，故提供空间的优势。SIP结构简化布局，有利于缩短PCB设计时间。安森美半导体为符合不同的客户需求，也规划提供双列直插封装(DIP)封装的IPM。

安森美半导体变频器IPM产品阵容

安森美半导体提供一系列创新的IPM，既包括单分流电阻型，也包含3分流电阻型。公司的创新、智能及高集成度的方案，帮助设计工程师解决他们面对的挑战。此外，安森美半导体的产品满足UL标准认证要求，可帮助客户缩短设计及评估时间。

表1：安森美半导体的变频器IPM产品阵容。

总结：

安森美半导体基于IMST技术的IPM提供多重技术优势，解决白家电设计工程师的各种设计问题。由于设计紧凑、占位面积少的IPM模块集成了多种内置特性及智能功能，工程师可以简化设计、减小电路板空间、提升可靠性、减少元器件数量及降低元器件总成本。