三相逆变器

针对低功率驱动器优化新型功率因数校正（PFC） + 变频器的IPM（智能功率模块）出现了。这是一款集成三相逆变器和单升压PFC级在一个具有SOI（硅绝缘体）的栅极驱动器中，采用单个小型化DIL（双列直插式）传输模制式封装。

采用这款新的IPM，系统的尺寸和成本可以大大降低。

概观

新型IPM的内部电路由逆变器级和PFC级所组成。三相逆变器级具有六个600V额定值的TRENCHSTOPTM IGBT和六个发射极控制二极管，以及一个SOI栅极驱动器IC，其提供集成自举电路和用于温度监测的热敏电阻。PFC级由一个650V额定的TRENCHSTOPTM IGBT和一个具有快速和软开关特性的快速开关发射极控制二极管组成（图1）。

图1：内部电路

降低成本

总成本最小化是系统工程师在开发新电机驱动时最重要的考虑因素。不仅是考虑到IPM本身的材料成本，还要加上散热片和PCB等材料成本，甚至是产品开发的上市时间，都是计算总成本的主要因素。

小型化传输模制式封装（封装尺寸和结构）

具有高度集成的新型IPM封装外形如图2所示。新型IPM采用紧凑尺寸的英飞凌科技CIPOSTM（控制集成電源系统）小型封装，僅有21mm x 36mm x 3.1mm的大小，新的IPM符合UL认证（UL 1557 File E314539）和RoHS标准。

图2：外部视图

具有良好导热性的基板采用DCB（直接铜接合）技术，被使用于高热性能的基板上。图3显示了新IPM的截面图，如IGBT和二极管等所有主要的热源都安装在DCB上，以充分利用该封装的传热能力。因此，即使封装尺寸非常紧凑，新的IPM也可以成为高达3kW电机驱动器的优秀解决方案[1]。

图3：截面图

散热片和PCB尺寸

所有的功率半导体元件（例如桥式整流器，用于PFC的分立IGBT，分立升压二极管和用于电机驱动的IPM）通常安装在一个散热器上以便于散热。图4显示了可以减少的PCB和散热器尺寸的量，以及通过将分立功率半导体和驱动器集成到一个封装中，并可以简化组装过程[2]。

(a) 离散PFC和逆变器IPM解决方案

(b) 新的IPM解决方案

图4：散热器上的安装配置

(a 前面)

(b 背面)

开发速度更快（参考板，图5和图6）

新的电路设计，图稿和PCB组件在系统开发过程中需要花费很多时间。为了减少在此过程中花费的时间，并快速确定新的IPM是否可以运行电机，已经开发出参考板了。操作电机的最小外设可安装在电路板上，其他像是PWM信号，+5 / +15V直流电源，PFC电感，直流链电解电容，都可利用从电路板外部通过电线来连接至参考板。

图5：参考板结构

图6：参考板的应用实例

650V额定PFC级

英飞凌科技根据其PFC IGBT特性开发出两种产品，它们是20kHz开关频率的High Speed 3（HS3）和用于40kHz开关频率的TRENCHSTOPTM 5（TS5），如表1所列。英飞凌的快速发射极控制二极管被优化为在PFC拓扑中，與作为升压二极管的TRENCHSTOPTM IGBT一同工作，它结合了低VF以降低传导损耗和低Irr以减少IGBT的Eon [3]。所有功率器件具有650V的额定电压，并且对不稳定的交流电网提供了更高的可靠性和耐用性[4]。

表1：产品阵容，额定值和目标切换频率

逆变器級的特点

逆变器級具有多种逆变器安全运行功能。这些功能可以通过坚固的SOI栅极驱动器和热敏电阻来实现。

• 在VBS=15V时信号传输允许高达-11V的负VS电位

• 集成引导功能

•所有通道都可欠压闭锁

• 预防交叉传导

• 在保护期间将所有六个开关关闭

• 过电流关机

• 温度监视器

过电流保护

新的IPM监控ITRIP引脚的电压，当电压超过VIT,TH+（正向阈值电压）时，故障信号被激活，所有六个IGBT都会被关闭。最大过电流断路电平通常设定为额定集电极电流的两倍以下[5]。

图7：过电流保护时间表

过温保护

对于过温保护功能，热敏电阻已经集成在该IPM中。电阻在25℃时通常为85kΩ，在100℃时电阻为5.4kΩ（图8）。

图8：热敏电阻与温度的关系

如图9所示，VFO引脚与微控制器的ADC和故障检测端子直接连接，因为热敏电阻与具有开漏配置的故障输出端并联。例如，当上拉电阻R1在约100℃時为3.6kΩ，VFO电压在Vcrt=5V時为2.95V（典型值），在Vcrt=3.3V時則為1.95V，如图10所示。

图9：过温保护电路

图10：VFO电压与温度的关系

热评估

图11是测试电路和测量波形，显示了测试系统的运行状态，用于评估输入功率为2kW的热性能。工作条件为PFC控制器=ICE2PCS05G，输入电源PIN=2kW，交流输入电压VIN=220V/60Hz，直流链路电压VDC=400V，逆变器开关频率=5kHz，PFC开关频率=20kHz，R-L负载（R = 13.75Ω，L = 2.96mH，功率因数=0.99），MI=0.69，栅极电阻器栅极电阻器Rg=5.1Ω，环境温度Ta=25℃。被测设备是IFCM15S60GD，输入功率因数约为0.995，THD约为9.78%。

(a. 测试电路)

(b. 波形)

图11：新IPM的测试电路和波形

在PFC IGBT位置下的外壳温度为最高点约为67.5℃，高于逆变器部件。IFCM15S60GD足以应付超过2kW的功率。

(a. 温度测量点)

(b. 温度图)

图12：新型IPM（IFCM15S60GD）的温度测量点和测试结果

总结

新的智能功率模块是用于如室内空调变速电机驱动的逆变器和PFC拓扑结构的最佳解决方案。英飞凌科技拥有所有必要的技术，并致力于为客户提供实现紧凑型和高效率的解决方案，从而最大限度地减少系统尺寸，总成本和上市时间。