摘 要

本文介紹了一種針對小功率電機(jī)驅(qū)動的全新壓注模表面貼裝型（SMD）智能功率模塊（IPM），適用于冰箱、洗碗機(jī)及風(fēng)扇等白色家電產(chǎn)品應(yīng)用，具有體積小、可靠性高等特點(diǎn)。通過采用全新封裝技術(shù)和更薄的逆導(dǎo)型IGBT（RC-IGBT）芯片，全新表面貼裝型IPM不僅成功地將三相全橋電路、IGBT柵極驅(qū)動IC以及BSD（自舉二極管）等集成到緊湊的表貼型封裝中，并內(nèi)置包括上下臂互鎖、溫度信號模擬量輸出、短路保護(hù)及控制側(cè)電源欠壓保護(hù)等保護(hù)功能。該系列模塊采用壓注模封裝技術(shù)制造，具有良好的熱膨脹系數(shù)匹配，實(shí)現(xiàn)了足夠小的封裝尺寸，有助于顯著降低變頻驅(qū)動系統(tǒng)的整體尺寸和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。總之，該系列產(chǎn)品能夠大大簡化和縮短家電產(chǎn)品中逆變器功率級的設(shè)計(jì)過程。

1、 概要

作為應(yīng)對全球變暖最重要的措施之一，在空調(diào)室內(nèi)/外風(fēng)機(jī)、洗碗機(jī)排水/再循環(huán)泵、冰箱壓縮機(jī)等小功率家用電器應(yīng)用中采用變頻驅(qū)動在近年發(fā)展迅速。由于這類產(chǎn)品的內(nèi)部空間有限，變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的要求之一是嚴(yán)格限制逆變器驅(qū)動板的尺寸。

這類家電應(yīng)用中的傳統(tǒng)變頻驅(qū)動解決方案往往使用分立元件來實(shí)現(xiàn)三相開關(guān)電路拓?fù)洌蚨枰罅康?a target="_blank">電子元器件及復(fù)雜的組裝過程。因此，需要一種能夠?qū)GBT、FWD（續(xù)流二極管）、驅(qū)動 IC、BSD(自舉二極管)等關(guān)鍵元器件高度集成并且具有緊湊封裝的器件解決方案。為滿足這一市場需求，三菱電機(jī)開發(fā)了一系列表面貼裝型IPM產(chǎn)品，其額定規(guī)格為1A/600V和3A/600V，可為小功率家電應(yīng)用提供良好的解決方案。

表面貼裝型IPM系列產(chǎn)品的封裝外形和內(nèi)部電路框圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 表面貼裝型IPM封裝外形

圖2 表面貼裝型IPM內(nèi)部電路框圖

為了將盡可能多的分立元器件集成到IPM封裝中，我們采用了將IGBT和FWD集成為單個(gè)芯片中的RC-IGBT芯片，以確保有足夠的空間用于其他芯片/器件的封裝。同時(shí)，IGBT柵極驅(qū)動IC和BSD等自舉電路元件也被集成到這個(gè)緊湊封裝中。

2、 全新RC-IGBT芯片技術(shù)

基于三菱電機(jī)超薄晶圓工藝和第7代CSTBTTM芯片技術(shù)，全新RC-IGBT芯片將IGBT和FWD完美地集成在同一芯片中，并采用了微細(xì)加工工藝來實(shí)現(xiàn)低VCE(sat)和低功率損耗，以取得更好的元胞間距和改善載流子存儲效應(yīng)。圖3給出了第7代IGBT芯片與上代芯片的結(jié)構(gòu)對比。

圖3 第7代IGBT與上代芯片的結(jié)構(gòu)對比

得益于全新芯片技術(shù)，與上一代RC-IGBT相比，在相同芯片尺寸下，全新RC-IGBT的導(dǎo)通壓降降低了約50％。圖4給出了全新RC-IGBT與上代RC-IGBT之間導(dǎo)通壓降的比較。

圖4 全新RC-IGBT與上代RC-IGBT間導(dǎo)通壓降對比（ Tj=25℃及VGE=15V）

與其他DIPIPMTM產(chǎn)品相比，全新表面貼裝型IPM的性能經(jīng)過優(yōu)化，可在更高的PWM載波頻率下工作，以滿足如風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等家電應(yīng)用的需求。圖5給出了1A/600V表面貼裝型IPM產(chǎn)品的輸出電流、溫升及功率損耗的關(guān)系曲線。

圖5 1A/600V表面貼裝型IPM功率損耗及溫升與電流關(guān)系曲線

（Vcc=300V, fc=20kHz, pf=0.8,M=1, Tj=125 ℃, 3 相調(diào)制）

3、封裝與功能

由于需求數(shù)量龐大，家電市場對成本要求更為嚴(yán)格，逆變器控制板尺寸的縮小是實(shí)現(xiàn)成本目標(biāo)的有效途徑之一，而功率模塊封裝尺寸的縮小將為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)做出巨大貢獻(xiàn)。

圖6 超小型DIPIPMTM(左)與表面貼裝型IPM(右)封裝對比

全新表面貼裝型IPM具有非常緊湊的封裝尺寸，通過采用RC-IGBT，其功率芯片數(shù)量可以減少到超小型DIPIPMTM系列產(chǎn)品的一半，其中超小型DIPIPMTM和全新表面貼裝型IPM模塊的尺寸比較如圖6所示。

一些全新封裝技術(shù)被用于全新表面貼裝型IPM產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，并成功地在模塊內(nèi)部集成BSD等自舉電路元件，以進(jìn)一步減少對外部元件的需求，從而使其與市場上其他類似尺寸的產(chǎn)品有所不同。

此外，某些增值功能也被設(shè)計(jì)進(jìn)全新表面貼裝型IPM產(chǎn)品中，如集成上/下橋臂互鎖功能，防止直通時(shí)產(chǎn)生大電流損壞功率芯片；集成配有100Ω限流電阻的BSD芯片，更低電阻確保更穩(wěn)定的上橋臂電源；溫度信號模擬量輸出功能（VOT）采用了激光微調(diào)技術(shù)，通過內(nèi)置控制LVIC的高精度溫度轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)，通過監(jiān)測輸出電壓的模擬信號，可以在更接近于可承受的最高結(jié)溫下使用DIPIPMTM。圖7為BSD的VF-IF曲線，圖8則為VOT的輸出特性曲線。

圖7 自舉二極管的VF-IF曲線

圖8 全新表面貼裝型IPM的VOT輸出特性(1A/600V)

4、電氣特性

1A/600V 全新表面貼裝型IPM的主要電氣特性（逆變部分和控制部分）如表1所示。

表1 1A/600V全新表面貼裝型IPM電氣特性參數(shù)(如無特別說明，均在Tj=25℃下測試)

5、結(jié) 論

通過采用RC-IGBT功率芯片技術(shù)，三菱電機(jī)開發(fā)了用于白色家電應(yīng)用的全新壓注模表面貼裝型IPM系列產(chǎn)品，以追求高可靠性和高性價(jià)比。新模塊在內(nèi)部集成了IGBT柵極驅(qū)動IC（HVIC/LVIC）和自舉電路元件（BSD等），與目前的超小型DIPIPMTM產(chǎn)品相比，封裝尺寸縮小約50％，這將有助于節(jié)能型社會的建立。