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如何通过一站式IPM方案满足工业、汽车等不同应用的需求

2017-07-05 11:09 来源:安森美 编辑:电源网

与分立方案相比,智能功率模块(IPM)在减少占板空间、提升系统可靠性、简化设计和加速产品上市等方面都具有无可比拟的优势。在不同的应用中,IPM需要采用不同的晶圆技术和封装技术以尽量减小热阻,降低导通损耗和开关损耗,同时确保高集成度、高开关速度、高能效、高可靠性和出色的EMI性能。这就对半导体厂商的硅和封装技术能力提出了更高的要求。

致力于推动高能效电子创新的安森美半导体在硅和封装技术领域处于领导地位,能够提供同类最佳的 IPM,产品阵容覆盖20 W到10 KW不同功率等级,在能效、尺寸、成本、可靠性等方面都具有显著优势,因而能够满足工业、汽车、消费等不同应用的需求。

600 V及1200 V高功率的工业IPM方案

工业IPM主要应用于工业压缩机、泵、可变频驱动、电动工具等。预计此类市场未来3年的复合年增率(CAGR)为5.1%,增长较快,这主要归结于人工成本的不断上涨导致企业实现自动化的需求日趋强烈,而各项能源法规及测试标准如ErP、IEC、GB3等对能效的要求日趋严格。

安森美半导体是市场上能同时提供600 V及1200 V高功率IPM方案的数一数二的供应商,主要系列有SPM45、SPM3、SPM2、SIP系列。除了现有的第三、四代场截止IGBT技术,还即将推出采用SiC、GaN的模块。

SPM3系列主要应用于高功率空调、工业变频器、工业泵和工业风扇等,这些模块集成了内置 IGBT 已优化的门极驱动,使用 Al2O3陶瓷基板实现极低热阻,从而优化EMI性能和最小化损耗,同时提供欠压锁定、过流关断和故障报告等多种保护特性。内置高速 HVIC 仅需要单电源电压并将收到的逻辑电平门极输入信号转换为高电压、高电流驱动信号,从而有效驱动模块的内部 IGBT。其中1200 V系列主要针对要求小型化的3相变频器应用,目前已量产的如FSBB10CH120D,额定输出为10 A,后续将推出额定输出为15 A、20 A的型号。而600 V系列则涵盖更宽广的功率范围,目前可从15 A至30 A,如FSBB15CH60D(15 A)、FSBB20CH60D(20 A)、FNB33060T(30 A),同样封装的IPM已经扩展达到50 A。

相对于SPM3系列,SPM2 系列封装占位更大,热阻更小,功率范围更广。其中1200 V系列包括FNA21012A(10 A)、FNA22512A(25 A)、FNA23512A(35 A),满足小型化要求和高压趋势。而600 V系列如FNA23060(30 A)、FNA25060(50 A)、FNA27560(75 A)则更适合对可靠性要求较高、对体积不那么敏感的应用。

而紧凑的单列直插式封装(SIP) IPM系列则将控制、驱动和输出放到单边,有利于节省空间和提升散热性。

汽车IPM实现高功率密度和加速应用上市

随着新的燃油经济性标准和日趋严格的环境法规的推出,电动汽车(EV)/混合动力汽车(HEV)迎来高速发展,汽车功能电子化趋势日益增强,汽车电子市场未来3年CAGR预计将达19%,增长潜力巨大。

安森美半导体针对汽车市场提供的中压IPM(电池电压400VV供电)包括:(1)集成门极驱动器、微控制器(MCU)、功率硅和外围元件的无传感器驱动方案;(2)实现高性能、低噪声及高可靠性的无PCB方案;(3)标准产品和定制的IPM,用于电动水泵、电动油泵、电动燃油泵和电动冷却风扇等等。

为了应对汽车电子更精密、更高性能和能效的趋势,安森美半导体作为全球前10大汽车半导体供应商,提供行业最紧凑的IPM模块APM 27系列,用于 混合动力和电动汽车中控制空调(A/C)压缩机和其它高压辅助电机。如该系列目前已量产的650 V、50 A FAM65V05DF1独特地集成IGBT、续流二极管和门极驱动器在一个12 cm2的汽车级占位封装中,比由多种分立元件组装的方案小达40%,同时提高应用的性能和能效,降低成本。该器件大大简化和缩短用于A/C压缩机和油泵的高压汽车辅助变频器的电源段的设计流程,使设计人员可以专注于创新,加速面市。

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图1: 行业最紧凑的汽车IPM模块FAM65V05DF1

消费IPM方案具备同类最佳硅系列和封装技术

IPM由于其小尺寸、高能效和高可靠性等优势,在白家电如空调、洗衣机、冰箱、风扇电机、烘干机、洗碗机等应用中已相当受欢迎。

1. 用于400 W以下消费应用的IPM

对于功率在400 W以下的应用,由于量大,属于成本敏感的市场,要求紧凑、高能效,安森美半导体利用同类最佳的硅系列及封装技术,提供SPM8、SPM55、SPM5等IPM系列,满足市场趋势和不同应用需求。

SPM8 系列采用第三代沟槽场截止技术,内置丰富的保护特性,且可实现紧凑的尺寸,主要适用于冰箱及空调风扇。目前量产的有600 V、5 A的FNB80560T和600 V、10 A的FNB81060T。

紧凑型IPM STK5C4U332J-E、STK5Q4U352J-E、STK5Q4U362J-E采用绝缘金属基板(IMS)或DBC,实现低热阻和高功率密度,尤其适合洗衣机应用。

SPM5 系列如下表所示,从50 W至200 W不等,主要针对空调风扇、洗碗机等应用。其中SF型号具备极低导通电阻,B型号优化用于载波频率超过15 kHz的应用,而A型号则为常规版本。

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表1:SPM 5 系列IPM

2.用于400 W至4 KW消费应用的IPM

对于功率等级更高的应用, EMI性能及热性能极为关键,同时又需要兼顾高集成度。安森美半导体提供单个占位封装SPM45、SPM3系列和高集成度封装二合一PFC系列的IPM,具有稳固的EMI性能及优化的导通特性,出色的Rth(j-c)及通过DBC、陶瓷基板实现优异的绝缘性能,并采用第三代、第四代场截止技术用于快速PFC方案。

SPM45系列将低损耗短路额定 IGBT 与优化后的门极驱动器集成到单个完全隔离的封装中,内置热敏电阻可实现温度监测,高低端集成欠压闭锁功能、及过流保护输入进一步增强了系统的可靠性,尤其适用于1HP至3HP空调。其中FNA、FNB系列分别针对低频和高频应用,FNC则为经济型系列,客户可根据应用的具体需求选择适合的型号。

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表2:SPM45系列IPM

二合一PFC IPM STK57FU394AG-E (15 A) 和STK5MFU3C1A-E (30 A)在单个、紧凑的封装内集成一个PFC转换器、3相逆变输出段、预驱动电路和保护,用于1HP至3HP空调。内置防跨导电路,减小由噪声引起系统故障的可能,以及为逆变器及PFC段提供过流保护。欠压锁定确保在异常情况下IGBT门极关断,外部可访问的嵌入式热敏电阻用于绝缘金属基板的高精度温度监测。高度集成的封装有助于减少元件、节省空间和成本,简化和加速设计。

此外,针对白家电厂家,安森美半导体还提供PFCM系列IPM。该系列IPM高度集成桥二极管、功率器件到单个封装中,可节省更多的空间,便于安装。内置 NTC 热敏电阻实现温度监控,热阻极低,采用无桥式PFC、单相升压PFC和两相交错式PFC三种不同的拓扑结构。

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表3:PFCM系列IPM

总结

安森美半导体专注于高功率领域如空调(HVAC)、汽车、工业级等,通过领先的硅技术和优化的封装,针对每一应用提供适当的IPM方案,确保高集成度、高功率密度、出色的热性能、优化的导通损耗和开关损耗、优异的耐用性,尤其是封装具有更大爬电距离/间隙,适用于高电压应用。此外,针对消费领域,安森美半导体提供的器件和方案超越家电应用的低成本和高能效要求,帮助客户提高产品长期可靠性、品质和效率。

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