白家電的變頻器智能功率模塊(IPM)技術及方案

由於世界各國不斷關注節能問題，使節能型消費類產品的需求持續上升，尤其是電冰箱、洗衣機和空調等白家電產品。除了節能，白家電設計的挑戰包括尺寸、散熱、可靠性、噪聲及外觀設計等。如今，在白家電設計中具有顯著節能、低噪聲和優異變速性能等特性的無刷直流(BLDC)電機(或稱「馬達」)應用越來越廣泛。據統計，高檔電冰箱中可能會使用5個或以上電機，空調的室外機及室內機各使用2個，洗衣機/烘乾機、洗碗機等通常也會使用2個電機，這就需要高能效的電機驅動/控制方案。

變頻器技術的開發旨在高能效地驅動用於工業及家用電器的電機。此技術要求像絕緣門雙極電晶體(IGBT)、快速恢復二極體(FRD)這類的功率器件，以及控制IC和無源元件。智能功率模塊(IPM)將這些元器件高密度貼裝封裝在一起(見圖1)，高能效地驅動電機，配合白家電對低能耗、小尺寸、輕重量及高可靠性的要求。IPM內置高擊穿電壓的驅動器IC、高擊穿電壓及大電流IGBT、快速恢復二極體、門極電阻、用於驅動上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動二極體、用於檢測發熱的熱敏電阻、用於過流保護的分流電阻等，用於變頻器電路。IPM提供低損耗，包含多種封裝類型，電流範圍寬。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/330408.htm

圖1：典型變頻器IPM將多種元器件封裝為模塊。

圖2顯示的是用於空調的典型電源電路模塊。在這個示例中，變頻器IPM用於驅動空調壓縮機及室外風扇。變頻器IPM採用微控制器(MCU)來工作。IPM模塊高速開關電源，提供更精密控制，實現更高能效的空調工作。

圖2：用於空調的變頻器IPM應用示例。

安森美半導體變頻器IPM技術特徵及優勢

安森美半導體積極推動高能效創新，推出了用於工業及消費應用包括白家電電機控制及驅動的一系列新的IPM產品，能驅動從10 A至50 A輸出負載電流。這系列IPM產品相配寬廣陣容的分立電機控制元器件(包括電機控制器、IGBT及MOSFET)，為客戶提供更多的選擇。

安森美半導體是全球第一家開發出變頻器IPM使用絕緣金屬基板技術(IMST®)基板技術的公司。此技術在鋁板，也就是在金屬基板上搭建電子電路。IMST技術使多種元件能夠封裝在同一個模塊IC中，包括電阻和電容等分立無源元件、二極體和電晶體等分立有源元件，以及更複雜的IC或專用集成電路(ASIC)，如門極驅動器、數位訊號處理器(DSP)、邏輯元件等。IMST也能使功率輸出電路、控制電路及其外圍電路貼裝在相同基板上。

圖3：安森美半導體基於IMST技術的IPM結構示意圖。

圖3中從底到頂的典型橫截面顯示提供極佳熱性能和機械性能的高熱導率鋁基板，覆蓋在鋁基板上面的是絕緣層，再上面是用於電氣布線的銅箔。這橫截面圖也揭示了IMST技術的一項獨特特性，那就是不存在任何用作絕緣體或機械基板的陶瓷層。因此，IMST技術的接地性能優於任何基於陶瓷的混合電路。貼裝在功率模塊上的元器件可能會遇到焊點可靠性的問題：要麼是在無源器件到基板的接口，要麼是在裸片至基板的接口。為了提高可靠性，安森美半導體使用嵌件(over-molding)技術，加強機械粘合性。這就大幅增強可靠性，減小焊點的機械應力。因此，安森美半導體基於IMST技術的IPM具結構上的優勢。

把安森美半導體的IPM所採用的IMST結構與競爭公司的框架結構比較(見圖4)，可以看出競爭公司使用的框架(frame)結構因為布局和布線問題，難於集成片式電阻及片式電容等無源元件。但安森美半導體的IPM可以在鋁基板上直接貼裝任何元器件，只需極少繞線。此外，還可以在板上貼裝分流電阻，能夠減小模塊尺寸並減少元器件數量。