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智能功率模塊助力提升工業系統能效


作者:    時間:2019/7/23 19:55:21  來源:   

智能功率模塊(IPM)廣泛用于變頻空調壓縮機驅動、戶內戶外風扇驅動和功率校正電路。近年來,泵和工業風扇領域因為對緊湊化的要求,也開始使用IPM產品進行設計,隨著變頻系統和伺服驅動應用于工業機器人等新興領域,IPM的高可靠性設計也開始大顯神威。安森美半導體的IPM陣容強大,技術領先,功率等級從50 W至7.5 kW,滿足各種不同的應用需求,并持續研發更高功率密度和能效、更可靠的IPM,拓展工業應用領域,以助力提升工業能效,并滿足工業新興領域的需求。

 

 

什么是IPM?

IPM在一個封裝模塊中高度集成MOSFET和IGBT等分立功率器件、高低壓驅動芯片和外圍阻容器件、二極管,實現比分立方案更靈敏準確的保護功能、更簡單的外圍元器件設計、更簡化的生產工藝和更好的散熱性能。

 

圖1:IPM的優勢

 

 

IPM基板技術

IPM可以無需絕緣墊片直接與外部散熱器相連,不但簡化了散熱的工藝難度,而且也降低了熱阻。IPM的這種優點基于IPM基板技術。


直連銅基板(DBC)、陶瓷基板和絕緣金屬基板(IMST)是三種不同的IPM基板技術,各有優缺點,可基于不同的應用需求使用不同的基板技術。DBC技術熱阻最低,可實現最高的電流密度,但工藝難度較高,成本最高。陶瓷基板技術成本稍低,易于量產,適用于功率密度稍高、同時對成本有較高要求的領域,和DBC工藝一樣,隔離電壓大于4kV,但受制于工藝本身,貼裝的器件比較有限。IMST技術易貼裝各類電阻電容和電感器件,但熱阻較大,所以電流低。

 

新的SPM®49用于5kW至7.5kW的空調、逆變器、泵和風扇

SPM的優點之一就是高度的集成化設計,但因為引腳定義各家供應商不相同,造成客戶對單一供應商的擔心,安森美半導體的SPM®49在封裝上兼容“M”公司的Large DIP系列產品,可以消除客戶對“獨家”供應商的擔心。

 

SPM®49采用先進的溝槽型IGBT,比平面型IGBT功率密度更高,使用DBC基板技術,熱阻極低,因而有更高的熱性能,尺寸為79mm*31mm*8mm,相比Large DIP,SPM®49爬電距離更遠,絕緣性能更優。同時,針對電機驅動領域,SPM®49采用短路耐受型的IGBT,可承受長達5 us以上的短路耐受時間。安森美半導體已推出的SPM®49是650 V、50A的NFAL5065L4B和650 V、75A的NFAL7565L4B,未來將陸續推出1200V的10A、25A、35A和50A電流等級產品。

 

針對相同封裝尺寸的SPM®49和Large DIP產品,我們在相同條件下進行了測試,結果顯示在所有工作頻率 / 輸出電流測試條件下,安森美半導體的SPM®49產品NFAL7565L4BT的殼溫都比競爭對手低。

 

新的SPM®31用于3kW至5kW的空調、逆變器、泵和風扇

SPM®31引腳兼容M公司的Mini DIP產品,消除客戶對獨家供應商的擔憂,采用先進的650V溝槽型IGBT和DBC技術,熱阻降低12%左右,由于引線引腳和螺絲孔兼容設計,所以無需PCB再設計,且側面無虛設引腳的先進封裝工藝使爬電距離更遠,便于散熱器設計靈活性改進,此外,內置熱敏電阻NTC實現更精確和直接的檢測,便于客戶的熱設計。安森美半導體已推出的SPM®31產品是650 V、30A的NFAM3065L4B和650 V、50A的NFAM5065L4B,未來將陸續推出1200V的5A、10A、20A電流等級產品。

 

針對相同封裝尺寸的SPM®31和Mini DIP產品,我們在相同條件下進行了測試,結果顯示在所有工作頻率 / 輸出電流測試條件下,安森美半導體的SPM®31產品NFAM5065L4BT的殼溫和損耗都比競爭對手低,尤其在更高頻率、重載的情況下,熱性能優勢明顯。

 

SPM®34用于達7.5kW的空調、逆變器、泵和風扇

SPM®34覆蓋達7.5kW的功率等級,采用先進的650V 和1200V 溝槽型的短路耐受 IGBT,和DBC基板技術,散熱性極佳,在工業領域有著很多的成功案例。

 

表1:SPM®34 (達7.5kW)

 

 

成熟的SPM®3V(達5kW) 廣泛用于從空調到工業變頻器領域

SPM®3V產品最高功率等級為5kW,是最為成熟的IPM產品,從空調到工業變頻器領域均有廣泛使用,覆蓋了1200V的10A到20A的系列產品,而600V更是覆蓋了從15A到50A的全電流等級產品,采用先進的650V 和1200V 溝槽型的短路耐受 IGBT,和DBC基板技術,散熱性極佳,并通過熱偵測實現全面的保護功能。 

 

表2:SPM®3V(達5kW)

 

 

SPM® 45用于500W 至 2.2kW的泵、緊湊型工業逆變、白家電

SPM® 45是兼顧散熱和成本的高性價比方案,電流覆蓋從5A 到30A,內置自舉二極管和熱敏電阻,引腳復用功能可滿足客戶更多需求,統一封裝兼容1P到3P空調,具有極佳的電磁兼容性能、溫度特性,和完善的保護性能。

 

表3:SPM® 45 (500W 至 2.2kW)


DIP-S6/ DIP-S用于200W至1.1kW的白家電

DIP-S6/DIP-S產品比SPM® 45系列功率密度更高,且內置的驅動芯片可實現直通保護,當控制型號將一個橋臂的上下管同時導通時,DIP-S6/DIP-S產品將屏蔽其中一個信號,避免橋臂直通損壞模塊。

 

功率因數校正(PFC)模塊

在PFC模塊領域,安森美半導體提供適用于無橋PFC、升壓PFC和交錯并聯PFC等各種PFC拓撲的產品,高度集成功率器件驅動電路,內置熱敏電阻,從而提高功率密度,易于PCB布局和設計,電流等級從20A到75A全部覆蓋。

 

表4:安森美半導體提供適用于各種PFC拓撲的模塊

 

值得一提的是,安森美半導體最新的交錯式并聯功率因數校正模塊NFL25065L4B,其功率器件部分內置了兩顆第四代短路耐受能力的IGBT、兩顆碳化硅(SiC)二極管及驅動芯片,無需客戶再進行驅動電路設計,并集成了單相整流橋二極管,同時使用熱敏電阻對殼溫進行探測,具備優化的電磁兼容性能,單個IGBT功耗和在實際負載工作條件下的殼溫都較前代FPAM50LH60降低,且導通時的電流和電壓振鈴都減小,關斷時的拖尾電流明顯改善,損耗更小。

 

SIP方案廣泛用于200 W至1kW的工業變頻器和泵

SIP系列覆蓋600 V、5A/10A/15A額定值,新的SIP-K采用新的IGBT 及 FRD 工藝、第3代溝槽IGBT、極快速二極管,和IMST基板技術,比現有SIP 方案實現更小的封裝尺寸,且引腳定義相同,易于替代,廣泛用于工業變頻器和泵。

SPM8、SPM5和SPM7用于低于200 W的中小功率等級的白家電

針對冰箱、洗衣機、洗碗機和風扇風機在內的低于200W的中小功率等級,安森美半導體提供SPM8、SPM5和SPM7產品,其緊湊化設計可實現產品的高功率密度需求,最小的SPM7產品將6個MOS、4個驅動芯片和眾多外圍電路集成在一個拇指蓋大小的模塊中,將風扇電機的物理結構與驅動設計合二為一。

 

總結

安森美半導體提供1200V和650V/600V全系列的IPM產品,最高功率等級7.5kW,滿足工業電機驅動、暖通空調(HVAC)、工業逆變、泵、工業風扇、白家電等各種應用需求,并針對新興工業應用更緊湊和更高能效的趨勢持續開發新的產品,基于新一代溝槽型的短路耐受IGBT技術、先進的DBC和IMST基板技術及豐富的封裝,提供更高的能效、功率密度、熱性能和可靠性,助力提升工業系統能效。而且,安森美半導體的IPM封裝和晶圓基地遍布全球,并不斷擴大相關的晶圓和封測產能,以滿足日益增長的客戶需求。 

 

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