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应用于白家电的变频器智能功率模块(IPM)手艺及妄图

宣布时间:2014年12月16日 10:12    宣布者:designapp
要害词: 智能功率模块 , 变频器 , 白家电

        安森美半导体应用于白家电的变频器智能功率模块(IPM)手艺及妄图
由于天下各国赓续关注节能效果,使节能型破费类产物的需求一连上升,特殊是电冰箱、洗衣机和空调等白家电产物。除节能,白家电设计的寻衅网罗尺寸、散热、可靠性、噪声及外不雅不雅设计等。现在,在白家电设计中具有显着节能、低噪声和优良变速性能等特点的无刷直流(BLDC)电机(或称“马达”)应用愈来愈普遍。据统计,高等电冰箱中能够会应用5个或以上电机,空调的室外机及室内机各应用2个,洗衣机/烘干机、洗碗机等通常也会应用2个电机,这就须要高能效的电机驱动/控制妄图。
变频器手艺的开发旨在高能效地驱动用于工业及家用电器的电机。此手艺请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,和控制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,合营白家电对低能耗、小尺寸、轻重量及高可靠性的请求。IPM内置高击穿电压的驱动器IC、高击穿电压及年夜电流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、用于检测发烧的热敏电阻、用于过流掩护的分流电阻等,用于变频器电路。IPM供应低消耗,网罗多种封装类型,电流规模宽。


图1:尺度变频器IPM将多种元器件封装为模块。


图2显示的是用于空调的尺度电源电路模块。在这个示例中,变频器IPM用于驱动空调延伸机及室外风扇。变频器IPM接纳微控制器(MCU)来使命。IPM模块高速开关电源,供应更周详控制,完成更高能效的空调使命。


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手艺特点及优势
安森美半导体起劲推动高能效创新,推出了用于工业及破费应用网罗白家电电机控制及驱动的一系列新的IPM产物,能驱动从10 A至50 A输入负载电流。这系列IPM产物相配宽年夜威望的分立电机控制元器件(网罗电机控制器、IGBT及MOSFET),为客户供应更多的选择。
安森美半导体是全球第一家开发出变频器IPM应用绝缘金属基板手艺(IMST)基板手艺的公司。此手艺在铝板,也就是在金属基板上搭建电子电路。IMST手艺使多种元件能够封装在统一个模块IC中,网罗电阻和电容中分立无源元件、二极管和晶体管中分立有源元件,和更严重年夜的IC或公用集成电路(ASIC),如门极驱动器、数字旌旗暗记处置赏罚赏罚器(DSP)、逻辑元件等。IMST也能使功率输入电路、控制电路及其焦点电路贴装在类似基板上。


图3:安森美半导体基于IMST手艺的IPM结构体现图。


图3中从底到顶的尺度横截面显示供应极佳热性能和机械性能的高热导率铝基板,笼罩在铝基板下面的是绝缘层,再下面是用于电气布线的铜箔。这横截面图也提醒了IMST手艺的一项希奇异点,那就是不存在任何用作绝缘体或机械基板的陶瓷层。是以,IMST手艺的接地性能优于任何基于陶瓷的混淆电路。贴装在功率模块上的元器件能够会遇到焊点可靠性的效果: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。为了前进可靠性,安森美半导体应用嵌件(over-molding)手艺,增强机械粘合性。这就年夜幅增强可靠性,减小焊点的机械应力。是以,安森美半导体基于IMST手艺的IPM具结构上的优势。
把安森美半导体的IPM所接纳的IMST结构与竞争公司的框架结构较量(见图4),可以看出竞争公司应用的框架(frame)结构由于结构和布线效果,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,只需少少绕线。此外,还可以在板上贴装分流电阻,能够减小模块尺寸并增添元器件数目。


图4:安森美半导体IPM的IMST结构能降低总资源。





       

不只云云,跟分立器件妄图相比,安森美半导体IPM应用的IMST手艺还供应更迅速、更高精度的温度检测,完成更可靠的散热掩护。IMST手艺能够从铝板的高热传导率受益。热掩护取决于控制器件检测到热变换的距离和时间。分立器件妄图的温度检测距离较远,招致检测延迟。IMST手艺在模块中内置热敏电阻,故以高度受控的措施监测检测时间及针对快速发烧事宜的迅速度,是以延迟时间短,检测性能高,供应可靠的散热掩护,参见图5。


图5:IMST手艺供应更优良的温度检测,供应更可靠的散热掩护。


IMST手艺的此外一项主要优势是其电路功效。由于内置了用于检测电流的分流电阻,便可以在不逾越3微秒时间内完成短路掩护,由于用于电流掩护的元件在模块内的结构职位很近。安森美半导体的IMST手艺能够将不合元器件贴装在PCB上,是以,能够减小PCB,使PCB易于设计,延伸终端产物的设计时间。
安森美半导体的IMST IPM能够赞助年夜幅增添元件数目,赞助降低系统总资源。以安森美半导体的STK551U362A-E IPM为例,仅需电容、电阻及二极管等焦点元件11颗,而类似功效的竞争产物的焦点元件数目能够高达23颗。
其它的IMST IPM优势,还网罗噪声榨取、降低浪涌电压等。降低电机噪声是白家电设计工程师面临的设计寻衅之一。安森美半导体的IMST手艺有用降低开关EMC/EMI噪声,由于铝金属基板与铜箔图案之间的绝缘树脂发生了漫衍式电容。此外,像IPM这样的高压、年夜电流器件,在阻拦脉宽调制(PWM)开关使命时代,开关关断时会发生由结构及绕线中寄生电感招致的瞬态高压尖峰。但IMST基板本质上会榨取高压并降低噪声,由于模块内的布线经由了意料试,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。在类似条件下的测试效果显示,安森美半导体的IPM模块的能耗更低,能效赶过10%以致更高。更高能效的妄图在本质上赞助减小散热片尺寸,提升可靠性,处置赏罚赏罚白家电的设计寻衅。


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 接纳单列直插式封装(SIP)型封装,这类封装供应贴装的无邪性,能够以引线成形要领将模块水平或垂直贴装。接纳垂直贴装时,由于占位面积及PCB面积照顾较少,故供应空间的优势。SIP结构简化结构,有益于延伸PCB设计时间。安森美半导体为切合不合的客户需求,也妄图供应双列直插封装(DIP)封装的IPM。




       

安森美半导体变频器IPM产物威望
安森美半导体供应一系列创新的IPM,既网罗单分流电阻型,也网罗3分流电阻型。公司的创新、智能及高集成度的妄图,赞助设计工程师处置赏罚赏罚他们面临的寻衅。此外,安森美半导体的产物知足UL尺度认证请求,可赞助客户延伸设计及评价时间。

表1:安森美半导体的变频器IPM产物威望。




总结:
安森美半导体基于IMST手艺的IPM供应多重手艺优势,处置赏罚赏罚白家电设计工程师的种种设计效果。由于设计紧凑、占位面积少的IPM模块集成了多种内置特点及智能功效,工程师可以简化设计、减小电路板空间、提升可靠性、增添元器件数目及降低元器件总资源。



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