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Jul . 2024

如何借助IPM智能功率模組提高白色家電的能效

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圖1:CIPOS Mini IM523系列封裝外形概覽 (尺寸:36 mm x 21 mm)

文:英飛凌科技研發部首席工程師Taesung Kwon與技術行銷部資深首席工程師Laurent Beaurenaut 譯:田斌

大多數家用電器都使用電機來操作其功能,如在洗衣機中轉動滾筒,或在冰箱中壓縮冷媒。通過變頻技術來調節電機是一種有效的高能效解決方案。


變頻技術需要使用適當的半導體解決方案。一種行之有效的方法是使用智能功率模組(IPM)。將功率半導體和驅動電路集成到一個模組中,有助於系統設計人員提高系統可靠性。這種解決方案簡化了生產裝配工序,並且可以在硬體設計方面節省時間和精力。然而,這樣的緊湊型封裝集成也為散熱帶來了不小的難度。因此,至關重要的是使用高能效半導體來減少元件內部的功率損耗。


英飛凌新開發的CIPOS Mini IM523經專門設計,適用於下列應用中控制三相電機:

  • 家用電器所使用的中低功率變速驅動裝置
  • 暖通空調(暖氣、通風和空調)系統
  • 工業風扇及驅動裝置(功率高達1.4kW)


這些高能效IPM基於英飛凌最先進的600V逆導型RC-D2 IGBT技術,它們採用DIP 36x21封裝,具備開放式射極。 IM523支援從6A到17A不等的多個電流等級,能夠為終端系統提供最合適的選擇。


對於家用電器而言,600V RC-D2技術大大提高了性價比。這款智能功率模組針對低功率驅動應用進行了最佳化,可實現低導通損耗和最低開關損耗。特別地,在高開關頻率應用中,IM523系列可以提供業界最出色的開關損耗和卓越的能效。它的封裝專門針對需要良好的熱傳導和電隔離的功率應用而實現了改良,其封裝和塑封材料還具有更好的防潮性能。


CIPOS Mini IM523 IPM具備集成式自舉電路,可簡化電路板佈線。歸功於其行業標準封裝,可以方便快捷地對現有的Mini IPM進行設計轉換(引腳到引腳相容),而無需重新設計電路板,從而縮短了產品上市時間。

IM523 IPM內部結構

圖2所示為IM523 IPM的內部等效電路。它由6顆RC-D2 IGBT、一顆6通道閘極驅動IC和一個用於溫度監測的熱敏電阻組成。這些元件都安裝在模組的內部電路板上。為了感測變頻器的負載電流,模組採用開放式射極配置,在低邊提供了三個分隔開的發射極端子。

它的集成式閘極驅動IC基於英飛凌最先進的絕緣體上矽(SOI)技術。這顆SOI閘極驅動器具備功能絕緣性能,其設計旨在優化RC-D2 IGBT元件的開關性能。它還提供了諸多高級功能,如互鎖、欠壓閉鎖、過流保護、防止重複短路,以及通過內部濾波提高抗噪能力等。有了內部自舉二極體,便無需為高邊開關配備專門的二次電源電路,從而大大降低了總的系統物料成本。


這款IPM的真正與眾不同之處在於600V RC-D2逆導技術。逆導技術主要是將IGBT和續流二極體的功能集成到單顆晶片中。這種集成縮小了晶片的有效尺寸並降低了裝配成本。相比於前幾代逆導技術,RC-D2更加結實耐用,di/dt可控性也更好,從而降低了電磁噪音。


由於具有低Qrr特性,RC-D2 IGBT的開關損耗比上一代逆導型IGBT降低了50%。然而,性能的提升不能以犧牲結實耐用性為代價。運作過程中的系統故障可能會導致短路事件。所以,IPM模組必須夠結實耐用,以免受到此類短路事件的影響。 RC-D2開關具有優秀的短路安全工作區(SCSOA),因而可防止此類事件的發生。通過使用RC-D2技術,IM523 IPM的短路峰值電流水準通常比前幾代產品降低了20%左右,同時還能保持與之相似的短路耐受時間。例如,如果短路持續時間小於6μs,那麼,在控制電源電壓為16.5V條件下,IM523 IPM可以安全地關閉峰值約為60A的短路電流。

性能評價

圖3:功率損耗模擬測試條件:直流母線電壓=310V,功率模組控制電壓=15V,開關頻率=15kHz,環境溫度=30°C,散熱片熱阻=3.2°C/W,功率因數=0.8,調製指數=0.8

IM523產品擁有更優化的電氣特性和熱特性,它們為系統性能更上層樓鋪平了道路。在15kHz開關頻率下,當變頻器輸出電流為4A時,這些智能功率模組的功率損耗降低了25%。


利用三相變頻系統,對IM523的熱性能進行了評估。將它與使用上一代RC-IGBT技術和傳統IGBT及二極體的模組進行了比較。為了評估每個解決方案的熱性能,測量了各個模組在實際工作條件下的外殼溫度。測量結果如圖4所示。

圖 4:外殼溫度

使用RC-D2的IM523 IPM在熱性能方面優於競爭對手。當輸出電流為4.3A時,採用上一代RC-IGBT技術的IPM的外殼溫度比IM523 IPM高出5°C。由於其開關性能更好,在相同條件下,IM523 IPM的外殼溫度比使用單獨的IGBT和二極體晶片的IPM低2°C。

結語

全新CIPOS Mini IM523智能功率模組系列是適用於變速電機驅動應用的最佳化解決方案。它採用成熟的緊湊型雙列直插式傳遞模封裝,可實現更高能效。得益於RC-D2開關的特性以及其SOI閘極驅動器的高級功能,這些產品可以為IPM解決方案提供性能與結實耐用性兼顧的完美結合。

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