IHS 發布的最新《全球主要家用電器市場》報告預測，隨著新一代產品變得更加復雜和功能豐富，到 2030 年，家用電器在半導體方面的支出將達到 38 億美元。增長最快的領域將是功率半導體，包括用于電子電機控制的智能功率模塊 (IPM)，這是滿足目前世界各地各個地區有效的生態設計目標所必需的。

　　IR 的 iMotion? 集成設計平臺是目前最成功的電子電機控制產品組合之一，它使大型家電 (MHA) 行業能夠在嚴格的成本和上市時間約束下提供節能產品。iMotion 整合了所需的所有數字、模擬和電源設備以及電機控制算法、開發軟件和設計工具，可實現由 IPM 和數字控制 IC 組成的完整電機驅動器，并配備少量外部元件，可在幾天內(而不是幾周內)啟動電機進行評估。然而，如今，不斷變化的設計重點和新的節能標準正在推動對更小尺寸、更低成本和更高可擴展性等增強功能的需求。

　　用于節能 EC 風扇和壓縮機解決方案的 IPM

　　降低系統成本的關鍵通常是提高半導體集成度，同時減小 IC 尺寸，以利用更小的 PCB 尺寸和更簡單的機械設計。IR 最新 μIPM? 系列的推出使諸如加熱和通風風扇或高達 200W 的水循環泵等應用尺寸更小、價格更具競爭力，符合最新的能源標準。

　　這些模塊采用功率 QFN (PQFN) 器件封裝，是業界首款利用 PCB 作為散熱器的全集成逆變器。這些模塊借鑒了負載點和 VRM 模塊的原理，適用于高壓應用，比現有的三相電機控制電源 IC 小 60%。在模塊內部，500V FredFet 電源開關和高壓 IC (HVIC) 芯片粘合到裸露的引線框架上，該引線框架焊接到 PCB 上。各種三相和單相(半橋)配置均可用，封裝尺寸極小，如圖 1 所示。

圖1

　　圖 2 顯示了 2.2kW 分體式空調系統中使用的 60W 冷凝風扇驅動器。通過在單個 12mm x 12mm QFN 封裝中提供完整的 500V 三相逆變器系統，μIPM 實現了無散熱器設計，并有助于將元件數量從 91 個減少到 31 個。PCB 成本/面積降低了 43%，同時組裝和測試周期更短，測試覆蓋率更高。

圖2

　　為了滿足 MHA 領域的高功率應用，μIPM 系列已擴展為采用半橋配置的新型 7mm x 8mm x 0.9mm 和 8mm x 9mm x 0.9mm 模塊，電壓額定值高達 40V，電流額定值增加到 500V 版本的 10A 和 40V 版本的 30A。將集成的三相逆變器拆分為三個獨立的半橋可帶來多種好處，最重要的是，它可以將功耗分散到更大的 PCB 區域，從而提高熱性能。

　　使用 μIPM QFN 進行設計 μIPM QFN IC 尺寸極小，并且使用 PCB 作為耗散功率的主要通道，因此需要對電機驅動設計的某些方面采用不同的方法，以最大限度地提高性能。

　　一般而言，IPM 電流能力取決于直流總線電壓、環境溫度和開關頻率。隨著這些參數的增加，損耗、調制方案的復雜性(從 3 相到 2 相)、相電壓的 dV/dt 以及關鍵 FET 特性(如 RDSON 和 IREC)也會增加。

　　對于表面貼裝 μIPM 驅動器，電流能力還取決于 PCB 設計;具體來說，銅厚度、銅墊面積、層數以及最終允許的最大 PCB 溫度。實際上，功率半導體的最大結溫不如最大 PCB 溫度那么重要。增加銅厚度可降低整體結到環境的熱阻，從而降低 PCB 溫度，從而實現更高的電流能力

　　圖 3 說明了 PCB 銅厚度和散熱器面積對 300W 壓縮機驅動器電流能力的影響，該驅動器的逆變器級由三個 IRSM807-105MH 半橋模塊組成。輸出電流能力隨著 ΔTCA 的增加而增加，并且當使用 2 相調制而不是 3 相調制方案時也會增加。同樣，通過降低開關頻率來減少開關損耗可以實現更高的輸出電流。添加頂部安裝的散熱器可以進一步降低溫度。通過使用一組 μIPM 半橋模塊，整體壓縮機驅動器板尺寸縮小了 40%，至 10cm x 7.7cm。

圖3

　　除了推出 μIPM PQFN 系列外，IR 還擴展了其雙列直插式 (DiP μIPM) 系列，使其能夠滿足基于更傳統設計和組裝技術的大量應用。DiP μIPM 系列專為與散熱器配合使用而設計，允許設計人員通過調整散熱器額定值來創建支持不同功率輸出的多種產品。這些 DIP μIPM 采用與 μIPM 表面貼裝系列相同的芯片組，采用 DIP26/SOP26 封裝，使設計人員可以自由地為每種應用選擇最佳解決方案。

　　與 PQFN 系列一樣，DiP μIPM 提供多種功率級選擇，這些功率級基于 IR 的 500V 或 250V 溝槽 FREDFET mosfet。此外，使用 600V 溝槽 IGBT 和 Pt 二極管的版本可滿足高達 250W 的更高功率要求。所有版本都具有內置自舉功能和通過 NTC 集成的溫度反饋，可實現完全保護冗余。

　　適用于主驅動器應用的 IPM

　　對于大電流應用，例如洗衣機和空調系統的主要驅動器，IR 的系統級封裝 SiP IRAM Gen2 IGBT 型 IPM 引入了增強功能，可滿足家電市場對更高效率和更寬工作溫度范圍的需求。新設計采用外露(但完全隔離)基板，具有出色的介電轉變溫度，允許高達 140°C 的工作外殼溫度。溝槽 IGBT 和 FRED 續流二極管的新型銅散熱器可將結殼熱阻提高高達 30%。瞬態熱阻抗也大大降低，從而提高了過載條件下的可靠性。

圖4

　　熱機械改進、優化的Trench IGBT和先進的 HVIC 三相柵極驅動器相結合，使電流處理能力提高了 20%，最大外殼工作溫度提高了 33%。可提供額定電流高達 20A 的設備。另一方面，保持相同的機械尺寸和引腳對引腳兼容性使設計人員能夠相對輕松地升級現有的電機驅動設計，以用于需要增加電機電流的更高性能產品。

　　成本優化的模塊

　　市場還要求更低成本的 IPM 以實現低功耗。IR 的新型 DiP-IRAM 平臺通過將功率半導體和 HVIC 封裝在引線框架、完全傳遞模塑的雙列直插式封裝 (DIP)中來滿足這一需求，該封裝符合行業標準的 24 毫米 x 38 毫米外形尺寸。與基于 SiP-IRAM Gen2 基板的系統級封裝相比，這可以實現更低成本的解決方案，并且僅需少量外部組件即可覆蓋 6A 至 15A 的額定電流。

　　結論

　　IR 的 iMotion 集成設計平臺使設計人員能夠以實惠的價格實現節能家電和工業電機驅動器。最新的 iMotion IPM 提供全面的性能改進和額外的封裝選擇，可簡化現有設計的升級。

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