智能功率模塊,簡稱IPM,實質上是集成了功率開關元件(如IGBT)的電器組件,它之所以被稱為“智能”,在于其內置了高級的控制與保護電路設計。這樣的設計意圖在于提升性能表現,并簡化設計者在整體方案構建和實施過程中的負擔。
對于剛進入行業的新手來說,“智能功率模塊”這一術語很可能造成混淆。他們可能會直覺地認為這指的是某種融合了處理器的電源模塊(比如DC/DC轉換器),從而帶有數字化處理能力。雖然這種理解并非完全錯誤,但關鍵在于明白行業內對IPM的定義更偏向于是一種集成度高、先進技術支持的固態電力開關裝置。
智能功率模塊(IPM)的關鍵特性:
1. 高效的功率開關技術不僅關乎基本的開關動作,而是涵蓋了一系列可能融入電源切換應用中的高級功能,這些功能在智能功率模塊內都有所體現。
2. 為了實現迅速的切換動作,柵極驅動電路需要提供適宜的電壓和充足的電流。
3. 柵極驅動邏輯還需設計成可以防止高側和低側IGBT同時導通,這一機制有幾個不同的稱呼,如擊穿保護、交叉傳導防護或互鎖電路。
4. 保護電路得能夠檢測并處理過流、過熱、短路以及欠壓狀態,并且如果系統需要記錄故障事件或運行溫度,也應該包含相應的通信機制。
5. 針對EMI標準,可能需要特定的開關行為。
6. 由于空間或成本限制,設計人員可能需要減少開關和導通狀態下的能耗,這樣可以采用更小的散熱器或外殼。
7. 針對某些情景,功率因數校正(PFC)成為必需。
總體而言,IPM生產商力求整合盡可能多的特性或功能,以此提升性能、增強制造效率、降低成本、縮減尺寸、提升可靠性、簡化部署過程或是加快基于固態電源開關電路的半導體產品推向市場的步伐。
電壓規格的考量:
智能功率模塊主要面向處理高電壓需求的市場。“高”所指的相對性質,對于低壓系統的工程師而言,即使是50V也可能被定義為高電壓,然而在IPM的應用背景下,這個數值實際上是相當低的。
舉例來說,Infineon的CIPOS Nano系列產品的最低最大額定電壓是40V,而最高額定電壓可達600V,這個系列是Infineon旗下體積最小、功耗最低的產品之一。而Maxi系列產品則能夠承受高達1200V的電壓,每個IGBT最高可處理50W的功率。
另一例子是Powerex,他們用“低功率”一詞來描述那些額定電流在50A、額定電壓在600V的IPM。而更高功率的模塊能夠處理75A以上的電流。
智能功率模塊的應用領域:
智能功率模塊與電機控制有著最直接的關聯,它們同樣在不間斷電源、逆變器和可再生能源系統等領域中發揮著關鍵作用。以下列舉了由制造商提出的一些具體應用場景:
家電:風扇、空氣凈化器、洗衣機、空調、冰箱、吸塵器
工業:泵、壓縮機、暖通空調系統、電梯
汽車:交流壓縮機、油泵、電動汽車的車載充電裝置
智能功率模塊極大地推動了為大功率固態開關電路開發出可靠、高效且緊湊方案的過程。這些多用途組件在許多領域都能夠發揮作用,隨著系統的要求以及性能預期給設計師們帶來越發復雜的挑戰,智能功率模塊的重要性和受歡迎程度將持續上升。