安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于白家電的二合一智能功率模塊（IPM）

當(dāng)前消費(fèi)電子產(chǎn)品技術(shù)日新月異，同時(shí)綠色、環(huán)保、節(jié)能的思想也逐漸深入人心，能效問(wèn)題日益成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中關(guān)注的焦點(diǎn)，高效節(jié)能已是大勢(shì)所趨。作為電子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵元器件，半導(dǎo)體產(chǎn)品發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。工程師通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體器件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不同設(shè)計(jì)，為各種應(yīng)用需求提供相應(yīng)的解決方案。

與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的空調(diào)、電冰箱、洗衣機(jī)等白家電產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中需要考慮到尺寸、能效、成本及外觀設(shè)計(jì)等因素。推動(dòng)高能效創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)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(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器及三相變頻器的“二合一”IPM，采用獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST®)，可靠、性價(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(yīng)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(guó)第十二屆年度TOP-10電源產(chǎn)品獎(jiǎng)中的兩個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)：“Top 10電源產(chǎn)品獎(jiǎng)”及“技術(shù)突破獎(jiǎng)”，彰顯安森美半導(dǎo)體推動(dòng)高能效創(chuàng)新的實(shí)力。

安森美半導(dǎo)體獨(dú)特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)

安森美半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shì)，包括：易于集成和減少元件數(shù)量以降低總成本、內(nèi)置外圍電路簡(jiǎn)化PCB設(shè)計(jì)以縮短終端產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)間、提供更靈敏更高精度的溫度檢測(cè)以實(shí)現(xiàn)更可靠的散熱保護(hù)、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(shì)。

基于IMST的IPM模塊

安森美半導(dǎo)體基于IMST技術(shù)的IPM模塊，型號(hào)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(fù)二極管、門極電阻、用于驅(qū)動(dòng)上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動(dòng)二極管、用于檢測(cè)發(fā)熱的熱敏電阻、用于過(guò)流保護(hù)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(qū)動(dòng)從10 A至50 A輸出負(fù)載電流，提供低損耗、低噪聲。

表1：安森美半導(dǎo)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(yīng)用于變頻空調(diào)

因應(yīng)減小尺寸并提升能效的趨勢(shì)，安森美半導(dǎo)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(zhuǎn)換器和3相變頻器(STK551-xxx系列、STK554-xxx系列為壓縮電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，STK5C4Uxxx系列為風(fēng)扇電機(jī)提供驅(qū)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(shù)量，節(jié)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(dǎo)體用于變頻空調(diào)的二合一 IPM。

安森美半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)適用于更大電流、更高功率應(yīng)用的交錯(cuò)式PFC二合一IPM。見(jiàn)圖3，它在單個(gè)封裝中集成交錯(cuò)式PFC轉(zhuǎn)換器、三相變頻器輸出段、預(yù)驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路。交錯(cuò)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?cè)谳斎攵嘶蜉敵龆死奂訒r(shí)，每相電流紋波的主要部分將抵消。

圖3. 交錯(cuò)式PFC二合一IPM。

高能效單相PFC應(yīng)用途徑包括：連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)升壓PFC，交錯(cuò)式PFC和無(wú)橋交錯(cuò)式PFC。CCM升壓PFC電路作為我們的基礎(chǔ)電路，交錯(cuò)式PFC實(shí)際就是2個(gè)升壓電路并聯(lián)，MOS管交錯(cuò)導(dǎo)通。雖然和CCM升壓PFC產(chǎn)生相同的二極管橋損耗，但是交錯(cuò)式PFC可分散電源從而提升能效，而無(wú)橋交錯(cuò)式PFC在交錯(cuò)式PFC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉二極管整流橋，使得反應(yīng)器尺寸減小40%，交流-直流轉(zhuǎn)換損耗減少50%，參見(jiàn)圖4。

圖4. 高能效單相PFC應(yīng)用途徑。

二合一IPM vs.其它方案

以變頻空調(diào)為例，當(dāng)采用分立結(jié)構(gòu)時(shí)，電路元器件總數(shù)量高達(dá)15個(gè)，所占PCB面積達(dá)121.2 cm2，而二合一IPM結(jié)構(gòu)集成度更高，元器件總數(shù)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(jié)構(gòu)比分立結(jié)構(gòu)提供更高的工作頻率，交錯(cuò)式PFC系統(tǒng)總損耗比分立結(jié)構(gòu)減少28.1 W，而無(wú)橋交錯(cuò)式PFC將系統(tǒng)總損耗降低38%。成本方面，更小的尺寸更易于設(shè)計(jì)，便于采用模塊化的方案，縮短設(shè)計(jì)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。集成度更高的二合一IPM結(jié)構(gòu)可將升壓線圈布設(shè)在電路板上，降低了組裝成本，而且由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，普通的升壓PFC二合一IPM、交錯(cuò)式PFC二合一IPM和無(wú)橋交錯(cuò)式PFC二合一IPM的磁芯尺寸依次縮小至分立結(jié)構(gòu)的79%、33%和20%，系統(tǒng)總成本由分立結(jié)構(gòu)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(tǒng)的PFC總損耗及成本比較。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新的IMST技術(shù)可靠且性價(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(zhuǎn)換器和變頻器，大幅減少元器件數(shù)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(nèi)置過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)功能、內(nèi)置熱敏電阻可監(jiān)測(cè)溫度、能夠使用內(nèi)置IPM的啟動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)單電源驅(qū)動(dòng)、內(nèi)置防止上邊/下邊晶體管同時(shí)導(dǎo)通的電路，是白家電應(yīng)用的理想方案。