安森美半導體應用于白家電的二合一智能功率模塊(IPM)

　　當前消費電子產(chǎn)品技術(shù)日新月異，同時(shí)綠色、環(huán)保、節能的思想也逐漸深入人心，能效問(wèn)題日益成為產(chǎn)品設計中關(guān)注的焦點(diǎn)，高效節能已是大勢所趨。作為電子設計的關(guān)鍵元器件，半導體產(chǎn)品發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。工程師通過(guò)對半導體器件的材料、結構、工藝等方面的不同設計，為各種應用需求提供相應的解決方案。

　　與我們日常生活密切相關(guān)的空調、電冰箱、洗衣機等白家電產(chǎn)品，在設計中需要考慮到尺寸、能效、成本及外觀(guān)設計等因素。推動(dòng)高能效創(chuàng )新的安森美半導體開(kāi)發(fā)出緊湊的變頻器智能功率模塊(IPM)，以及集成功率因數校正(PFC)轉換器及三相變頻器的“二合一”IPM，采用獨特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST®)，可靠、性?xún)r(jià)比高，同時(shí)提供高能效和低噪聲，極適合白家電產(chǎn)品應用。其二合一IPM STK57FU391A-E獲得今日電子與21ic.com聯(lián)合舉辦的中國第十二屆年度TOP-10電源產(chǎn)品獎中的兩個(gè)獎項：“Top 10電源產(chǎn)品獎”及“技術(shù)突破獎”，彰顯安森美半導體推動(dòng)高能效創(chuàng )新的實(shí)力。

　　安森美半導體獨特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)

　　安森美半導體是全球首家開(kāi)發(fā)出變頻器IPM使用IMST技術(shù)的公司。IMST技術(shù)采用低熱阻、高導熱的絕緣材料將銅箔和金屬基板即鋁基板壓合在一起，金屬的高熱傳導率使功率輸出電路、控制電路及模塊外圍電路能夠貼裝在同一基板上。此技術(shù)具有7大技術(shù)優(yōu)勢，包括：易于集成和減少元件數量以降低總成本、內置外圍電路簡(jiǎn)化PCB設計以縮短終端產(chǎn)品的設計時(shí)間、提供更靈敏更高精度的溫度檢測以實(shí)現更可靠的散熱保護、噪聲抑制、降低浪涌電壓、提升能效和降低能耗，以及單列直插式 (SIP) 型封裝優(yōu)勢。

　　基于IMST的IPM模塊

　　安森美半導體基于IMST技術(shù)的IPM模塊，型號包含單分流電阻型和3分流電阻型(如表一所示)，它將高壓IC (HVIC)、高擊穿電壓及大電流IGBT、快速恢復二極管、門(mén)極電阻、用于驅動(dòng)上邊IGBT及IGBT門(mén)極電阻的啟動(dòng)二極管、用于檢測發(fā)熱的熱敏電阻、用于過(guò)流保護的分流電阻等元器件高密度貼裝封裝在一起 (如圖1所示)，能驅動(dòng)從10 A至50 A輸出負載電流，提供低損耗、低噪聲。

　　表1：安森美半導體IPM模塊產(chǎn)品陣容。

　　圖1：基于IMST技術(shù)的IPM模塊集成多種元器件。

　　集成PFC及3相逆變的二合一IPM應用于變頻空調

　　因應減小尺寸并提升能效的趨勢，安森美半導體IPM已發(fā)展至下一代高能效二合一IPM，其 STK57F-3xx系列IPM將升壓PFC轉換器和3相變頻器(STK551-xxx系列、STK554-xxx系列為壓縮電機提供驅動(dòng)，STK5C4Uxxx系列為風(fēng)扇電機提供驅動(dòng))合二為一(參見(jiàn)圖2)，不僅提供高能效電路，還大幅減少元器件數量，節省PCB占用空間，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低組裝成本，加快上市進(jìn)程。

　　圖2. 安森美半導體用于變頻空調的二合一 IPM。

　　安森美半導體開(kāi)發(fā)適用于更大電流、更高功率應用的交錯式PFC二合一IPM。見(jiàn)圖3，它在單個(gè)封裝中集成交錯式PFC轉換器、三相變頻器輸出段、預驅動(dòng)電路以及保護電路。交錯式PFC是在原本單個(gè)較大功率PFC段的地方并行放置2個(gè)功率為一半的較小功率PFC段來(lái)替代。這兩個(gè)較小的PFC段以180°的相移交替工作，它們在輸入端或輸出端累加時(shí)，每相電流紋波的主要部分將抵消。

　　圖3. 交錯式PFC二合一IPM。

　　高能效單相PFC應用途徑包括：連續導電模式(CCM)升壓PFC，交錯式PFC和無(wú)橋交錯式PFC。CCM升壓PFC電路作為我們的基礎電路，交錯式PFC實(shí)際就是2個(gè)升壓電路并聯(lián)，MOS管交錯導通。雖然和CCM升壓PFC產(chǎn)生相同的二極管橋損耗，但是交錯式PFC可分散電源從而提升能效，而無(wú)橋交錯式PFC在交錯式PFC結構的基礎上去掉二極管整流橋，使得反應器尺寸減小40%，交流-直流轉換損耗減少50%，參見(jiàn)圖4。

　　圖4. 高能效單相PFC應用途徑。

　　二合一IPM vs.其它方案

　　以變頻空調為例，當采用分立結構時(shí)，電路元器件總數量高達15個(gè)，所占PCB面積達121.2 cm2，而二合一IPM結構集成度更高，元器件總數量減少至6個(gè)，所占PCB面積減小至87.5 cm2。

　　同等工作條件下(以輸入電壓220 V，功率4 kW為例，見(jiàn)圖5)，二合一IPM結構比分立結構提供更高的工作頻率，交錯式PFC系統總損耗比分立結構減少28.1 W，而無(wú)橋交錯式PFC將系統總損耗降低38%。成本方面，更小的尺寸更易于設計，便于采用模塊化的方案，縮短設計周期，降低開(kāi)發(fā)成本。集成度更高的二合一IPM結構可將升壓線(xiàn)圈布設在電路板上，降低了組裝成本，而且由于拓撲結構不同，普通的升壓PFC二合一IPM、交錯式PFC二合一IPM和無(wú)橋交錯式PFC二合一IPM的磁芯尺寸依次縮小至分立結構的79%、33%和20%，系統總成本由分立結構的29.7美元依次縮減至28.7美元、28.6美元、28.3美元。

　　圖5. 用于PFC系統的PFC總損耗及成本比較。

　　總結

　　安森美半導體創(chuàng )新的IMST技術(shù)可靠且性?xún)r(jià)比高，同時(shí)提供高能效和低噪聲，而基于此技術(shù)更進(jìn)一步的二合一IPM STK57FU/5MFU，由于在單個(gè)封裝中集成PFC轉換器和變頻器，大幅減少元器件數量，減少PCB所占空間，降低組裝成本，降低能耗并提升能效。其關(guān)鍵特性包括：內置過(guò)流保護和過(guò)壓保護功能、內置熱敏電阻可監測溫度、能夠使用內置IPM的啟動(dòng)電路來(lái)實(shí)現單電源驅動(dòng)、內置防止上邊/下邊晶體管同時(shí)導通的電路，是白家電應用的理想方案。