為何智能功率模塊會(huì )盛行，ROHM的600V產(chǎn)品有哪些特色

1   低碳時(shí)代驅動(dòng)功率轉換的變革

當前，世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國也提出了碳達峰和碳中和的目標，這對電子產(chǎn)品的降低能耗提出了巨大挑戰。因為隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的普及，產(chǎn)品需要有更長(cháng)的待機時(shí)間；由于產(chǎn)品的性能提高和功能豐富，也會(huì )增加工作能耗。這就需要功率轉換元器件和模塊的效率進(jìn)一步提升，因此，近年來(lái)IPM（智能功率器件）開(kāi)始盛行。

2   適合小功率電機的IPM 

IPM的優(yōu)勢是高效率、低功耗、模塊化。以空調市場(chǎng)為例，全球空調市場(chǎng)的出貨量這兩年約1.5億臺，數量可觀(guān)。該市場(chǎng)的技術(shù)也在不斷更新。

1）效率提高。①各國對空調的能耗限制也越來(lái)越嚴苛。例如2020年7月1日，我國實(shí)施了新的能效標準，要求空調的產(chǎn)品效率達80%以上。為了滿(mǎn)足這一要求，變頻成為大勢所趨，占有八九成的市場(chǎng)，定頻空調已基本被淘汰。②待機功耗方面，新要求是制冷能力在4.5kW以下的機型，待機功耗從3W將為1W以下。

2）滿(mǎn)足新機型的快速設計。對于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何提高開(kāi)發(fā)速度，生產(chǎn)更快更好的產(chǎn)品是面臨的主要挑戰。這就需要設計平臺能夠盡量標準化、模塊化。

具體地，空調的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，國外一般是2年或以上的周期，國內的開(kāi)發(fā)周期更短，基本上6個(gè)月或以?xún)缺仨氁挟a(chǎn)品上市，如果再用原來(lái)的分立器件，連測試的周期都不能保證。

對于實(shí)際生產(chǎn)，用分立器件還會(huì )有匹配問(wèn)題，因為分立器件不僅牽扯到產(chǎn)品本身的功耗、效率、選型等，如此多的器件要求保證穩定，對于生產(chǎn)保障是要求比較高的。因為即便是同樣規格的產(chǎn)品，不同廠(chǎng)家、性能的產(chǎn)品會(huì )有一些差異，工程師在切換的時(shí)候會(huì )遇到一些技術(shù)問(wèn)題，包括驅動(dòng)、噪聲等。而且在不同的PCB板上用同樣產(chǎn)品的時(shí)候，也會(huì )發(fā)現各種各樣的問(wèn)題。

而IPM避免了上述問(wèn)題，因為所有的功率器件在IPM內部已經(jīng)匹配、固化好，因此非常利于設計和操作。

所以現在不僅是空調行業(yè)，包括通用的工業(yè)伺服領(lǐng)域，7kW以?xún)鹊漠a(chǎn)品已在大批量采用IPM。

3）價(jià)格有競爭力。IPM價(jià)格并不是太大的障礙了，因為對于制造，無(wú)論是貼裝、測試等，時(shí)間成本和人力成本都是很高的。IPM可以降低這方面的成本。

4）節省面積空間。IPM不同于普通的功率模塊(PM)。功率模塊是把需要用到的一些功率器件集合在一個(gè)封裝里。設計時(shí)還需要外圍匹配合適的驅動(dòng)等電路來(lái)驅動(dòng)功率模塊。

IPM不僅把功率器件集成進(jìn)去了，還把驅動(dòng)電路以及周邊的保護電路集成到模塊里。IPM的應用更加簡(jiǎn)單，就像控制邏輯器件一樣來(lái)控制功率模塊。

以空調電機的壓縮機控制板為例。下圖左邊藍色邊框內的部分是以往的功率驅動(dòng)板，它把功率器件、驅動(dòng)電路和電流檢測保護電路分布在板子上，實(shí)現了功率轉換?，F在，這些眾多的器件在新的板子上都被1個(gè)IPM代替，面積只有原來(lái)的1/3。所以從節省空間和易于設計的角度來(lái)看，IPM有很大的優(yōu)勢。

當然，IPM不會(huì )完全取代分立器件。在偶爾的一些性能指標上，由于分立器件可以更靈活地對外圍器件做調整，所以占有一定的優(yōu)勢。不過(guò)，隨著(zhù)IPM性能越來(lái)越可靠，應用越來(lái)越適用，而且現在對調節電路的要求也越來(lái)越弱化了，因此在設計上很少會(huì )牽扯到這方面的要求。

另外，IPM目前面向小功率的家電設備和工控設備的，例如10kW或15kW以下的產(chǎn)品，用IPM的可能性更大；更大功率的產(chǎn)品目前還是以“驅動(dòng)+PM(功率模塊)”為主。

3 ROHM兼具出色降噪和低損耗的600V耐壓IGBT IPM 

IPM有何新品？近日，全球知名半導體制造商ROHM開(kāi)發(fā)出兼具出色的降噪和低損耗特性的600V耐壓IGBT IPM“BM6437x系列”，有助于進(jìn)一步減少白色家電和小型工業(yè)設備的功耗和設計工時(shí)。

ROHM半導體（上海）有限公司技術(shù)中心高級經(jīng)理顧偉俊稱(chēng)，，新產(chǎn)品有三大特點(diǎn)。

●   同時(shí)能夠降低噪聲和功耗。這兩個(gè)指標有一定的沖突，所以能夠同時(shí)滿(mǎn)足這兩點(diǎn)絕非易事。

●   新產(chǎn)品在輸出溫度、監控精度上做了很大的提高，滿(mǎn)足了現階段家電和普通小功率工控設備的基本要求。

●   為了滿(mǎn)足客戶(hù)對生產(chǎn)、制造、品質(zhì)的保障，新增了產(chǎn)品識別功能，可以在線(xiàn)測試該型號的IPM，防止其他器件的導入產(chǎn)生誤裝。

詳解如下。

1）噪聲和節能方面，ROHM新一代的IPM在功耗方面可以與市場(chǎng)中領(lǐng)先的產(chǎn)品達到基本同樣的水平。但是在這個(gè)基礎上，新IPM比普通產(chǎn)品可以降低6dB以上的噪聲（下圖左）。這對于工程師是一個(gè)難得的好消息，因為要調整到如此低的噪聲，工作量是很大的。

據悉，降噪不僅是通過(guò)工藝的改善，最主要的是實(shí)現各功率器件的合理匹配。因為EMI降噪與IGBT的開(kāi)關(guān)速度有直接的關(guān)系：速度越快，噪聲越大；但為了減少損耗，要求開(kāi)關(guān)速度盡可能地快。因此需要平衡各功率器件之間的噪聲等級，包括IGBT管，快恢復二極管（FRD），其他HVIC（驅動(dòng)電路）里的邏輯電路等。

2）高精度溫度控制方面，普通的IPM時(shí)本身會(huì )有一個(gè)溫度輸出，但是溫度輸出并不是IPM以前比較側重的地方，所以精度相對較差，約在5%。

不過(guò)，有時(shí)IPM功率器件的溫度誤差決定了整個(gè)系統是否安全可靠。因此，IPM的溫度輸出的誤差越大，必須考量的設計冗余就越大，對于IPM的使用限制就會(huì )越多。因此，有些客戶(hù)會(huì )采用外置的熱敏電阻來(lái)增加可靠的溫度檢測，這將額外地增加成本。

ROHM新一代IPM將溫度輸出的精度設計到與添加外置熱敏電阻后基本相同的2%精度，所以在同樣的應用中完全可以省略掉外置熱敏電阻等外圍電路，節約成本，也能加快開(kāi)發(fā)速度。

IPM里的溫度檢測是在靠近主功率器件的HVIC上。以前由于HVIC的功率比較簡(jiǎn)單，所以溫度輸出的精度不高，ROHM在新IPM產(chǎn)品里更新了HVIC的工藝。

3）增加了產(chǎn)品識別功能。普通的IPM由于背面有一個(gè)很大的散熱片，要考慮到散熱的問(wèn)題，因此產(chǎn)品標簽往往印在了模塑表面。當普通IPM插在PCB板上后，將看不到標簽，所以無(wú)法通過(guò)光學(xué)的手段辨別所采用的型號是否正確（如下圖）。

為了便于在線(xiàn)測試時(shí)不會(huì )產(chǎn)生誤操作或混入其他料號，ROHM新一代IPM增加了產(chǎn)品識別功能，通過(guò)阻抗測量?jì)x就能區分不同的型號以及是否是其他廠(chǎng)商產(chǎn)品混入的狀態(tài)，保障了生產(chǎn)的可靠性。

4   ROHM的IPM發(fā)展規劃

未來(lái)ROHM將繼續擴大IPM產(chǎn)品陣容。

1）在提高空調節能性能的IPM開(kāi)發(fā)方面，ROHM在積極推動(dòng)比IGBT的節能性能更出色的Si-MOS IPM的開(kāi)發(fā)。因為變頻空調在實(shí)際應用中，約80%的時(shí)間是在低功耗、維持溫度的工作狀態(tài)，這相比于實(shí)際應用的功率并不是很大。在小電流應用的工作環(huán)境中，與IGBT相比，Si-MOS 有更高的效率。因此,ROHM針對于空調市場(chǎng)推出了使用自產(chǎn)Si-MOS——PrestoMOS?的高效率IPM產(chǎn)品，目前已經(jīng)有部分產(chǎn)品在官網(wǎng)公布。在使用該產(chǎn)品以后，普通的變頻空調在常年工作中，可以降低50%左右的功率損耗。

在Si-MOS IPM與IGBT IPM的關(guān)系方面，目前ROHM開(kāi)發(fā)的Si-MOS主要針對的是新一代的空調的市場(chǎng)，因為空調市場(chǎng)是比較特殊的：變頻空調的大部分時(shí)間是工作在低功耗狀態(tài)下，只有在開(kāi)機和一開(kāi)始的階段才會(huì )在高功耗的狀態(tài)里，因此Si-MOS管就足夠了，因為MOS管在小電流的時(shí)候效率高。只有電流達到一定功率后，IGBT的性能優(yōu)勢才會(huì )體現出來(lái)。

因此總體上，IGBT產(chǎn)品目前還是市場(chǎng)的主流，因為目前Si-MOS管的用量還沒(méi)有真正起來(lái)，所以成本并不占優(yōu)勢。但是小電流應用的工作環(huán)境下，Si-MOS管的性能優(yōu)勢是比較明顯的。

IGBT和SiC的關(guān)系方面，短期內IGBT仍是主流產(chǎn)品，尤其在家電和通用的消費類(lèi)產(chǎn)品里，主要由于IGBT具有成本優(yōu)勢。碳化硅的應用還處于早期，有一些問(wèn)題還在探索中。

2）ROHM已經(jīng)投入到了車(chē)載級產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。新能源汽車(chē)的空調系統完全是電控的，因此對IPM的需求是非常強烈的。但是現在很少有能滿(mǎn)足車(chē)規級的產(chǎn)品，因為不僅是產(chǎn)品本身的品質(zhì)要提高，還有認證、生產(chǎn)、制造、設計等都要有所改變。

3）ROHM的產(chǎn)品迎合市場(chǎng)需求，除了效率、性能的提升，還在壽命和可靠性上做突破。