目前，采用低于750W電壓范圍的電機(jī)超過(guò)20億臺(tái)，通過(guò)采用電子控制變速解決方案所能實(shí)現(xiàn)的節(jié)能效果將非常顯著。事實(shí)上，目前所產(chǎn)生的總電力能量的55%是用于驅(qū)動(dòng)各種尺寸、各種形狀以及各種效率的電機(jī)。由于變速驅(qū)動(dòng)器通過(guò)改變負(fù)載的速度可以節(jié)省多達(dá)70%的能量成本，適用于風(fēng)扇和水泵等應(yīng)用的新能效標(biāo)準(zhǔn)要求采用電子控制電機(jī)。
在60多年前的發(fā)展初期，
國(guó)際整流器公司(IR)的使命就一直是將功耗最小化，從而通過(guò)高效的功率轉(zhuǎn)換解決方案來(lái)節(jié)約能源。一直堅(jiān)守著這一目標(biāo)，在最近的60年里，IR公司開創(chuàng)性地做出了芯片技術(shù)及封裝技術(shù)的多項(xiàng)創(chuàng)新。
例如，在IGBT領(lǐng)域，IR提供了從600V至1200V廣泛電壓范圍的豐富產(chǎn)品系列，支持對(duì)于高性能逆變器的功率需求，從極小的馬力到30kW以至更高。然而，在更低范圍的電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)用中(如低于200W的應(yīng)用中)，以及在那些大多數(shù)時(shí)間里都采用小整體負(fù)載功率運(yùn)行的電機(jī)中，與IGBT相比較，F(xiàn)redFet提供了最大的效率優(yōu)勢(shì)和更加經(jīng)濟(jì)的封裝解決方案，因?yàn)樗恍枰魏蔚姆床⒙?lián)續(xù)流二極管。
IR公司的新款μIPM(超小型智能
功率模塊)系列產(chǎn)品展示了IR公司致力于節(jié)能型產(chǎn)品和解決方案開發(fā)的最新示例，并且提供了工程師社區(qū)，以及更簡(jiǎn)易、更方便、更高效的方式，讓工程師可以設(shè)計(jì)并發(fā)布能夠滿足客戶需求和規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。
針對(duì)30~200W逆變電機(jī)驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)的傳統(tǒng)型IPM解決方案相對(duì)要求采用低效的大型結(jié)構(gòu)，或者采用一個(gè)外部的散熱器，以實(shí)現(xiàn)讓人滿意的散熱性能。這種方法使電機(jī)控制器在電機(jī)系統(tǒng)費(fèi)力、笨重并且通常不經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了完整的集成，從而使其可以被廣泛地采用。
IR公司面向這一市場(chǎng)領(lǐng)域，率先開發(fā)的新款可選方法(申請(qǐng)專利中)采用PCB銅箔布線，用于從模塊散熱，通過(guò)小型封裝設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并且在一些特定的應(yīng)用中省掉了外部散熱器。
新的μIPM系列器件使得設(shè)計(jì)人員可以解決在設(shè)計(jì)先進(jìn)節(jié)能解決方案時(shí)遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，符合適用于風(fēng)扇(散熱和通風(fēng))或
水泵(水循環(huán))的最新能源標(biāo)準(zhǔn)(最高達(dá)200W)。該系列采用基于解決方案的高效率、超緊湊和高度集成的QFN封裝。μIPM系列同時(shí)也提供了一個(gè)新的基準(zhǔn)，在尺寸上可與任何同類競(jìng)爭(zhēng)解決方案相匹敵。該系列比現(xiàn)有的主流3相電機(jī)控制功率IC的面積縮小60%以上。
μIPM系列采用QFN類封裝，包括了一系列完整的集成型3相或單相(半橋)電機(jī)控制電路解決方案。通過(guò)采用最強(qiáng)勁、最高效的高壓FredFet MOSFET開關(guān)，特別優(yōu)化了變頻器應(yīng)用。IR公司最先進(jìn)的HV驅(qū)動(dòng)器IC，μIPM產(chǎn)品系列具有1A至10A的額定DC范圍和250V與500V的電壓。
μIPM的總體尺寸僅為12x12x0.9mm，是目標(biāo)市場(chǎng)中能夠采用的最小型IPM(圖1)。目前可用的典型封裝解決方案是基于單邊引線的直插形式，適用于通孔應(yīng)用，或是基于SOP28以及相似類型封裝的鷗翼式引線封裝。其總體占位面積縮減了60%。這一優(yōu)勢(shì)對(duì)于持續(xù)降低材料成本、尺寸和總體重量限制等方面的需求至關(guān)重要。
圖1：μIPM封裝尺寸比較
鷗翼式引線和DIP封裝內(nèi)的模塊在PCB散熱方面較差，而耗散功率的唯一方法是通過(guò)一個(gè)外部散熱器實(shí)現(xiàn)，但這卻增加了成本，并帶來(lái)了振蕩和其它的物理壓力。IR公司的μIPM PQFN封裝是業(yè)界首款完全集成型逆變器解決方案的示例。它將PCB用作散熱器，這與負(fù)載點(diǎn)和VRM應(yīng)用中所采用的模塊解決方案非常相似，但是第一次擺脫了僅適用于低壓產(chǎn)品的局限(圖2)。
圖2：傳統(tǒng)的DIP-IPM鷗翼式引腳封裝和IR的μIPM PQFN設(shè)計(jì)
與采用負(fù)載點(diǎn)或VRM QFN類封裝類似，μIPM的功率半導(dǎo)體(500V FredFet)和HVIC模塊也與暴露在外的引線連接并焊接到PCB的引線框。然而，要實(shí)現(xiàn)更小型的尺寸并降低通過(guò)PCB的功耗，卻有一些需要應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)，以便完全實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的最佳整體性能。
一般來(lái)說(shuō)，IPM電流能力取決于DC
總線電壓、環(huán)境溫度、開關(guān)頻率(而對(duì)于所有這些元件，其頻率越高則損耗越高)、調(diào)制機(jī)制(例如3相和2相)、dV/dt相位電壓，當(dāng)然還有FET特性(RDSON、IRec等)。
在這種表面安裝解決方案的情況下(例如在μIPM系列所提供的解決方案中)，電流能力還取決于PCB設(shè)計(jì)，特別是銅板厚度、銅盤區(qū)域和層數(shù)，并最終取決于最大可允許的PCB溫度。換名話說(shuō)，事實(shí)上，功率半導(dǎo)體的最大結(jié)溫不如最大PCB溫度重要。
通過(guò)提高PCB銅板厚度，可以將與環(huán)境之間的總熱阻降低，并且最終將PCB的溫度降低。圖3顯示了將PCB銅板厚度從1oz增至2oz，對(duì)電流能力所產(chǎn)生的影響。輸出電流的能力隨著ΔTCA的提升而提升，并且當(dāng)采用一個(gè)2相調(diào)制和一個(gè)3相調(diào)制機(jī)制的時(shí)候有所提升。這樣僅僅通過(guò)降低開關(guān)頻率、降低開關(guān)損耗，就可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出電流。
圖3：μIPM額定電流與PCB銅板厚度及調(diào)制機(jī)制的示例
然而，還有一些其它的高性價(jià)比方法可以進(jìn)一步提高μIPM的性能，例如，利用熱導(dǎo)線路或在熱導(dǎo)線路上采用銅線/跳線。采用這些簡(jiǎn)易的方法，其它更多的傳統(tǒng)封裝都很難獲得更多的電流提升。當(dāng)與那些采用更多傳統(tǒng)封裝的其它IPM解決方案相比較時(shí)，在相同的應(yīng)用和負(fù)載條件下，μIPM器件能夠?qū)崿F(xiàn)提升的電流能力和更高的效率。當(dāng)與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比較時(shí)，通過(guò)PCB進(jìn)行散熱的性能立即突顯出來(lái)。例如，在一個(gè)風(fēng)扇控制器的應(yīng)用中，采用1oz PCB，工作電流為100mA、15kHz，在320V DC總線下采用一個(gè)2相調(diào)制。
在室溫條件下，采用傳統(tǒng)封裝的競(jìng)爭(zhēng)器件比IRSM636-015MB的溫度高出34.8℃，并在功率IC(SOI)中心顯示出了熱點(diǎn)，而對(duì)于IRSM636-015MB，最高的溫度位于高端通用排水點(diǎn)上，與控制IC模塊很遠(yuǎn)(圖4)。在需要更多負(fù)載的情況下，在與μIPM的溫度和功耗性能相比時(shí)，目前大多數(shù)可用的傳統(tǒng)產(chǎn)品則顯示出更多的嚴(yán)重局限(圖5)。
圖4：鷗翼引線SSOP IPM與IR的μIPM IRSM636-015MB
圖5：300mA輸出電流與頻率下的溫度比較
本文小結(jié)
通過(guò)選擇一款創(chuàng)新型的封裝解決方案，IR公司的μIPM產(chǎn)品在輸出電流能力和系統(tǒng)效率方面，與更多的傳統(tǒng)低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成型解決方案相比，實(shí)現(xiàn)了增量的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品將簡(jiǎn)單易用性、更高的散熱性能相結(jié)合，并降低了總的系統(tǒng)尺寸。μIPM系列將協(xié)助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和為系統(tǒng)集成器在家電和照明工業(yè)應(yīng)用，提供更高的成本效率以及更多的高級(jí)電機(jī)控制解決
