與分立方案相比，智能功率模塊（IPM）在減少占板空間、提升系統(tǒng)可靠性、簡化設(shè)計(jì)和加速產(chǎn)品上市等方面都具有無可比擬的優(yōu)勢。在不同的應(yīng)用中，IPM需要采用不同的晶圓技術(shù)和封裝技術(shù)以盡量減小熱阻，降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，同時(shí)確保高集成度、高開關(guān)速度、高能效、高可靠性和出色的EMI性能。這就對半導(dǎo)體廠商的硅和封裝技術(shù)能力提出了更高的要求。
致力于推動高能效電子創(chuàng)新的安森美半導(dǎo)體在硅和封裝技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位，能夠提供同類最佳的 IPM，產(chǎn)品陣容覆蓋20 W到10 KW不同功率等級，在能效、尺寸、成本、可靠性等方面都具有顯著優(yōu)勢，因而能夠滿足工業(yè)、汽車、消費(fèi)等不同應(yīng)用的需求。
600 V及1200 V高功率的工業(yè)IPM方案
工業(yè)IPM主要應(yīng)用于工業(yè)壓縮機(jī)、泵、可變頻驅(qū)動、電動工具等。預(yù)計(jì)此類市場未來3年的復(fù)合年增率(CAGR)為5.1%，增長較快，這主要?dú)w結(jié)于人工成本的不斷上漲導(dǎo)致企業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化的需求日趨強(qiáng)烈，而各項(xiàng)能源法規(guī)及測試標(biāo)準(zhǔn)如ErP、IEC、GB3等對能效的要求日趨嚴(yán)格。
安森美半導(dǎo)體是市場上能同時(shí)提供600 V及1200 V高功率IPM方案的數(shù)一數(shù)二的供應(yīng)商，主要系列有SPM45、SPM3、SPM2、SIP系列。除了現(xiàn)有的第三、四代場截止IGBT技術(shù)，還即將推出采用SiC、GaN的模塊。
SPM3系列主要應(yīng)用于高功率空調(diào)、工業(yè)變頻器、工業(yè)泵和工業(yè)風(fēng)扇等，這些模塊集成了內(nèi)置 IGBT 已優(yōu)化的門極驅(qū)動，使用 Al2O3陶瓷基板實(shí)現(xiàn)極低熱阻，從而優(yōu)化EMI性能和最小化損耗，同時(shí)提供欠壓鎖定、過流關(guān)斷和故障報(bào)告等多種保護(hù)特性。內(nèi)置高速 HVIC 僅需要單電源電壓并將收到的邏輯電平門極輸入信號轉(zhuǎn)換為高電壓、高電流驅(qū)動信號，從而有效驅(qū)動模塊的內(nèi)部 IGBT。其中1200 V系列主要針對要求小型化的3相變頻器應(yīng)用，目前已量產(chǎn)的如FSBB10CH120D，額定輸出為10 A，后續(xù)將推出額定輸出為15 A、20 A的型號。而600 V系列則涵蓋更寬廣的功率范圍，目前可從15 A至30 A，如FSBB15CH60D(15 A)、FSBB20CH60D(20 A)、FNB33060T(30 A)，同樣封裝的IPM已經(jīng)擴(kuò)展達(dá)到50 A。
相對于SPM3系列，SPM2 系列封裝占位更大，熱阻更小，功率范圍更廣。其中1200 V系列包括FNA21012A(10 A)、FNA22512A(25 A)、FNA23512A(35 A)，滿足小型化要求和高壓趨勢。而600 V系列如FNA23060(30 A)、FNA25060(50 A)、FNA27560(75 A)則更適合對可靠性要求較高、對體積不那么敏感的應(yīng)用。
而緊湊的單列直插式封裝(SIP) IPM系列則將控制、驅(qū)動和輸出放到單邊，有利于節(jié)省空間和提升散熱性。
汽車IPM實(shí)現(xiàn)高功率密度和加速應(yīng)用上市
隨著新的燃油經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和日趨嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)的推出，電動汽車(EV)/混合動力汽車(HEV)迎來高速發(fā)展，汽車功能電子化趨勢日益增強(qiáng)，汽車電子市場未來3年CAGR預(yù)計(jì)將達(dá)19%，增長潛力巨大。
安森美半導(dǎo)體針對汽車市場提供的中壓IPM(電池電壓400VV供電)包括：(1)集成門極驅(qū)動器、微控制器(MCU)、功率硅和外圍元件的無傳感器驅(qū)動方案；(2)實(shí)現(xiàn)高性能、低噪聲及高可靠性的無PCB方案；(3)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和定制的IPM，用于電動水泵、電動油泵、電動燃油泵和電動冷卻風(fēng)扇等等。
為了應(yīng)對汽車電子更精密、更高性能和能效的趨勢，安森美半導(dǎo)體作為全球前10大汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供行業(yè)最緊湊的IPM模塊APM 27系列，用于 混合動力和電動汽車中控制空調(diào)(A/C)壓縮機(jī)和其它高壓輔助電機(jī)。如該系列目前已量產(chǎn)的650 V、50 A FAM65V05DF1獨(dú)特地集成IGBT、續(xù)流二極管和門極驅(qū)動器在一個(gè)12 cm2的汽車級占位封裝中，比由多種分立元件組裝的方案小達(dá)40%，同時(shí)提高應(yīng)用的性能和能效，降低成本。該器件大大簡化和縮短用于A/C壓縮機(jī)和油泵的高壓汽車輔助變頻器的電源段的設(shè)計(jì)流程，使設(shè)計(jì)人員可以專注于創(chuàng)新，加速面市。
圖1： 行業(yè)最緊湊的汽車IPM模塊FAM65V05DF1
消費(fèi)IPM方案具備同類最佳硅系列和封裝技術(shù)
IPM由于其小尺寸、高能效和高可靠性等優(yōu)勢，在白家電如空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱、風(fēng)扇電機(jī)、烘干機(jī)、洗碗機(jī)等應(yīng)用中已相當(dāng)受歡迎。
1. 用于400 W以下消費(fèi)應(yīng)用的IPM
對于功率在400 W以下的應(yīng)用，由于量大，屬于成本敏感的市場，要求緊湊、高能效，安森美半導(dǎo)體利用同類最佳的硅系列及封裝技術(shù)，提供SPM8、SPM55、SPM5等IPM系列，滿足市場趨勢和不同應(yīng)用需求。
SPM8 系列采用第三代溝槽場截止技術(shù)，內(nèi)置豐富的保護(hù)特性，且可實(shí)現(xiàn)緊湊的尺寸，主要適用于冰箱及空調(diào)風(fēng)扇。目前量產(chǎn)的有600 V、5 A的FNB80560T和600 V、10 A的FNB81060T。
緊湊型IPM STK5C4U332J-E、STK5Q4U352J-E、STK5Q4U362J-E采用絕緣金屬基板(IMS)或DBC，實(shí)現(xiàn)低熱阻和高功率密度，尤其適合洗衣機(jī)應(yīng)用。
SPM5 系列如下表所示，從50 W至200 W不等，主要針對空調(diào)風(fēng)扇、洗碗機(jī)等應(yīng)用。其中SF型號具備極低導(dǎo)通電阻，B型號優(yōu)化用于載波頻率超過15 kHz的應(yīng)用，而A型號則為常規(guī)版本。
表1：SPM 5 系列IPM
2．用于400 W至4 KW消費(fèi)應(yīng)用的IPM
對于功率等級更高的應(yīng)用， EMI性能及熱性能極為關(guān)鍵，同時(shí)又需要兼顧高集成度。安森美半導(dǎo)體提供單個(gè)占位封裝SPM45、SPM3系列和高集成度封裝二合一PFC系列的IPM，具有穩(wěn)固的EMI性能及優(yōu)化的導(dǎo)通特性，出色的Rth(j-c)及通過DBC、陶瓷基板實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的絕緣性能，并采用第三代、第四代場截止技術(shù)用于快速PFC方案。
SPM45系列將低損耗短路額定 IGBT 與優(yōu)化后的門極驅(qū)動器集成到單個(gè)完全隔離的封裝中，內(nèi)置熱敏電阻可實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測，高低端集成欠壓閉鎖功能、及過流保護(hù)輸入進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，尤其適用于1HP至3HP空調(diào)。其中FNA、FNB系列分別針對低頻和高頻應(yīng)用，F(xiàn)NC則為經(jīng)濟(jì)型系列，客戶可根據(jù)應(yīng)用的具體需求選擇適合的型號。
表2：SPM45系列IPM
二合一PFC IPM STK57FU394AG-E (15 A) 和STK5MFU3C1A-E (30 A)在單個(gè)、緊湊的封裝內(nèi)集成一個(gè)PFC轉(zhuǎn)換器、3相逆變輸出段、預(yù)驅(qū)動電路和保護(hù)，用于1HP至3HP空調(diào)。內(nèi)置防跨導(dǎo)電路，減小由噪聲引起系統(tǒng)故障的可能，以及為逆變器及PFC段提供過流保護(hù)。欠壓鎖定確保在異常情況下IGBT門極關(guān)斷，外部可訪問的嵌入式熱敏電阻用于絕緣金屬基板的高精度溫度監(jiān)測。高度集成的封裝有助于減少元件、節(jié)省空間和成本，簡化和加速設(shè)計(jì)。
此外，針對白家電廠家，安森美半導(dǎo)體還提供PFCM系列IPM。該系列IPM高度集成橋二極管、功率器件到單個(gè)封裝中，可節(jié)省更多的空間，便于安裝。內(nèi)置 NTC 熱敏電阻實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控，熱阻極低，采用無橋式PFC、單相升壓PFC和兩相交錯式PFC三種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
表3：PFCM系列IPM
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體專注于高功率領(lǐng)域如空調(diào)(HVAC)、汽車、工業(yè)級等，通過領(lǐng)先的硅技術(shù)和優(yōu)化的封裝，針對每一應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)腎PM方案，確保高集成度、高功率密度、出色的熱性能、優(yōu)化的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗、優(yōu)異的耐用性，尤其是封裝具有更大爬電距離/間隙，適用于高電壓應(yīng)用。此外，針對消費(fèi)領(lǐng)域，安森美半導(dǎo)體提供的器件和方案超越家電應(yīng)用的低成本和高能效要求，幫助客戶提高產(chǎn)品長期可靠性、品質(zhì)和效率。