《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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)

2015-02-04

當(dāng)前消費電子產(chǎn)品技術(shù)日新月異,同時綠色、環(huán)保、節(jié)能的思想也逐漸深入人心,能效問題日益成為產(chǎn)品設(shè)計中關(guān)注的焦點,高效節(jié)能已是大勢所趨。作為電子設(shè)計的關(guān)鍵元器件,半導(dǎo)體產(chǎn)品發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。工程師通過對半導(dǎo)體器件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不同設(shè)計,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、洗衣機等白家電產(chǎn)品,在設(shè)計中需要考慮到尺寸、能效、成本及外觀設(shè)計等因素。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)體開發(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,采用獨特的絕緣金屬基板技術(shù)(IMST®),可靠、性價比高,同時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)合舉辦的中國第十二屆年度TOP-10電源產(chǎn)品獎中的兩個獎項:“Top 10電源產(chǎn)品獎”及“技術(shù)突破獎”,彰顯安森美半導(dǎo)體推動高能效創(chuàng)新的實力。

安森美半導(dǎo)體獨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,包括:易于集成和減少元件數(shù)量以降低總成本、內(nèi)置外圍電路簡化PCB設(shè)計以縮短終端產(chǎn)品的設(shè)計時間、提供更靈敏更高精度的溫度檢測以實現(xiàn)更可靠的散熱保護、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。

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)動上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動二極管、用于檢測發(fā)熱的熱敏電阻、用于過流保護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,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系列為壓縮電機提供驅(qū)動,STK5C4Uxxx系列為風(fēng)扇電機提供驅(qū)動)合二為一(參見圖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,縮短開發(fā)時間,降低組裝成本,加快上市進程。

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)體開發(fā)適用于更大電流、更高功率應(yīng)用的交錯式PFC二合一IPM。見圖3,它在單個封裝中集成交錯式PFC轉(zhuǎn)換器、三相變頻器輸出段、預(yù)驅(qū)動電路以及保護電路。交錯式PFC是在原本單個較大功率PFC段的地方并行放置2個功率為一半的較小功率PFC段來替代。這兩個較小的PFC段以180°的相移交替工作,它們在輸入端或輸出端累加時,每相電流紋波的主要部分將抵消。

圖3. 交錯式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,交錯式PFC和無橋交錯式PFC。CCM升壓PFC電路作為我們的基礎(chǔ)電路,交錯式PFC實際就是2個升壓電路并聯(lián),MOS管交錯導(dǎo)通。雖然和CCM升壓PFC產(chǎn)生相同的二極管橋損耗,但是交錯式PFC可分散電源從而提升能效,而無橋交錯式PFC在交錯式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,電路元器件總數(shù)量高達15個,所占PCB面積達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,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,交錯式PFC系統(tǒng)總損耗比分立結(jié)構(gòu)減少28.1 W,而無橋交錯式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,便于采用模塊化的方案,縮短設(shè)計周期,降低開發(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、交錯式PFC二合一IPM和無橋交錯式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)可靠且性價比高,同時提供高能效和低噪聲,而基于此技術(shù)更進一步的二合一IPM STK57FU/5MFU,由于在單個封裝中集成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)置過流保護和過壓保護功能、內(nèi)置熱敏電阻可監(jiān)測溫度、能夠使用內(nèi)置IPM的啟動電路來實現(xiàn)單電源驅(qū)動、內(nèi)置防止上邊/下邊晶體管同時導(dǎo)通的電路,是白家電應(yīng)用的理想方案。

供稿:安森美半導(dǎo)體

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