適合低功率馬達的全新PFC整合式IPM

作者 : Jaewook Lee、Taejin Lee、Junbae Lee及Daewoong Chung,英飛凌科技

英飛凌科技(Infineon Technologies)供應新款600V的20A高度整合智慧功率模組(IPM),適於低功率馬達應用;並可大幅減少系統尺寸及成本...

英飛凌科技(Infineon Technologies)供應新款600V的20A高度整合智慧功率模組(IPM,IM564-X6D),適合低功率馬達使用。其中將使用CoolMOS的單一升壓PFC級與三相變頻器,整合至微型DIP (雙列直插封裝)傳輸模製封裝之中。使用這款IPM可大幅減少系統尺寸及成本。

為了符合嚴格規範以及因應各界對於精巧尺寸、更高功率密度與簡易組裝程序的強大需求,英飛凌開發出一系列600V額定15A的PFC整合式IPM (IFCM15P60GD、IFCM15S60GD)。最近更開發出新款600V額定20A的PFC整合式IPM (IM564-X6D),提供更高的功率密度。這款新型IPM採用三相變頻器級,以及使用CoolMOS的PFC級,整合在使用DCB基板的單一封裝之中(圖1)。

圖1:PFC整合式CIPOS Mini IPM方塊圖。

變頻器級是以六個額定600V的TRENCHSTOP IGBT、六個射極控制二極體,以及一個SOI (絕緣層上覆矽)閘極驅動器建構而成。PFC級包含額定600V的CoolMOS MOSFET,以及額定650V的快速切換射極控制二極體,具備快速及軟切換特性。由於封裝尺寸小,其中採用DCB (銅直接黏合)基板,提供良好的熱效能。這款新型IPM可縮小PCB及散熱器尺寸,並簡化組裝程序。

外部圖及電路組態

圖2顯示新款高階IPM的封裝設計。新款IPM採用英飛凌精巧的CIPOS (控制整合式功率系統) Mini IPM封裝,尺寸為21mm x 36mm。所有半導體晶片都針對封裝最佳化,而DCB基板則提供卓越的散熱特性。

圖2:PFC整合式CIPOS Mini IPM設計,尺寸21mm x 36mm。 

變頻器及電源裝置

變頻器內部電路裝置是由六個額定600V的英飛凌TRENCHSTOP技術IGBT,以及採用三相變頻器結構的反向並聯飛輪二極體組成。TRENCHSTOP IGBT及反向並聯二極體經特別設計,可快速切換無過多振鈴,並大幅降低整體損耗。

SOI閘極驅動IC用於CIPOS IPM模組,以加強整合、可靠度及效能。這款六通道的單一SOI閘極驅動IC,具有特殊的連鎖功能提供擊穿保護,可在發生過電流或欠壓等故障時關閉所有輸出。此外也提供整合式靴帶式電路,以及額外的休眠功能。休眠功能有助於提升穩定度及IPM的耐用度。SOI閘極驅動IC可協助最佳化IGBT切換,並提供連鎖的驅動器供電欠壓鎖定(UVLO)和過電流保護功能。

PFC升壓開關和二極體

新款20A PFC整合式CIPOS Mini IPM使用600V的CoolMOS P7 MOSFET,在25°C接面溫度及20A汲極電流情況下一般為86mΩ。其中結合快速切換的SJ MOSFET,以及各種非常易於使用的特性,例如非常低的振鈴傾向、出色的整流耐受度,以及卓越的ESD能力。此外,由於切換及傳導損耗非常低,因此也可簡化熱管理。

英飛凌的快速射極控制二極體,最適合搭配CoolMOS運作,在PFC拓撲中作為升壓二極體。快速二極體在薄晶圓技術中的進展成果,協助維持穩定的VF過熱,此外也具有低正向電壓及低反向恢復電流等特性。

封裝

體積精巧的IPM系列採用DCB熱基板提供優異的熱效能,並以鋁製電線接合法用於電氣及機械連接。熱基板DCB是由高度導熱的陶瓷板及銅板組成,一側連接電源開關,另一側則接觸封裝表面。這項技術可提升熱效能及散熱能力,為馬達驅動提供卓越的解決方案。

熱效能

Tc(INV)代表變頻器中高側W相IGBT的外殼溫度,而Tc(PFC)則是PFC中PFC MOSFET的外殼溫度。圖3顯示新款600V 20A IPM (IM564-X6D)與現有600V15A IPM (IFCM15P60GD)的熱效能比較結果;其中使用PFC控制器ICE2PCS05G,作業條件為PIN=2kW、PF(Input)=0.99、VIN=220V/60Hz、VDC=400V、Fsw (INV)=5kHz、Fsw (PFC)=40kHz、SVPWM、MI=0.69、VDD=15V、Rg=10Ω及Ta=25°C。

圖3:新款整合式IPM的熱效能。

IM564-X6D的△TCA_PFC (其中△TCA_PFC=Tc(PFC)-Ta)比IFCM15P60GD低約17.5°C。測試結果顯示600V 20A IPM的熱效能較佳。

CIPOS Mini PFC系列採用PFC整合式IPM,體積精巧,非常適合空間受限的應用,特別是空調、風扇、泵及3kW以下的馬達驅動。有別於以IGBT為基礎的其他PFC系列產品,新款PFC整合式IPM IM564-X6D採用CoolMOS功率MOSFET和快速切換二極體,協助PFC級提升PFC切換頻率至150kHz,可大幅縮減電感尺寸,以更小的系統外型實現高功率密度。

表1:CIPOS Mini PFC整合式IPM系列。

結論

這款新型PFC整合式IPM為最佳化解決方案,其中採用的變頻器及PFC拓撲,適合變速馬達驅動使用,例如室內空調及低功率馬達。由於所有半導體晶片均最佳化並整合至現有的CIPOS Mini IPM封裝,因此可縮短開發時間並減少空間需求。新款IPM經調整及最佳化,適用於使用CoolMOS P7 MOSFET的PFC系統,因此切換及傳導損耗非常低,而切換最高可達150kHz。

(本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年11月號)

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