智能功率模块如何提升工业系统能效

智能功率模块(IPM)广泛用于变频空调压缩机驱动、户内户外风扇驱动和功率校正电路。近年来，泵和工业风扇领域因为对紧凑化的要求，也开始使用IPM产品进行设计，随着变频系统和伺服驱动应用于工业机器人等新兴领域，IPM的高可靠性设计也开始大显神威。安森美半导体的IPM阵容强大，技术领先，功率等级从50 W至7.5 kW，满足各种不同的应用需求，并持续研发更高功率密度和能效、更可靠的IPM，拓展工业应用领域，以助力提升工业能效，并满足工业新兴领域的需求。

什么是IPM？

IPM在一个封装模块中高度集成MOSFET和IGBT等分立功率器件、高低压驱动芯片和外围阻容器件、二极管，实现比分立方案更灵敏准确的保护功能、更简单的外围元器件设计、更简化的生产工艺和更好的散热性能。

图1：IPM的优势

IPM基板技术

IPM可以无需绝缘垫片直接与外部散热器相连，不但简化了散热的工艺难度，而且也降低了热阻。IPM的这种优点基于IPM基板技术。

直连铜基板(DBC)、陶瓷基板和绝缘金属基板(IMST)是三种不同的IPM基板技术，各有优缺点，可基于不同的应用需求使用不同的基板技术。DBC技术热阻最低，可实现最高的电流密度，但工艺难度较高，成本最高。陶瓷基板技术成本稍低，易于量产，适用于功率密度稍高、同时对成本有较高要求的领域，和DBC工艺一样，隔离电压大于4kV，但受制于工艺本身，贴装的器件比较有限。IMST技术易贴装各类电阻电容和电感器件，但热阻较大，所以电流低。

新的SPM®49用于5kW至7.5kW的空调、逆变器、泵和风扇

SPM的优点之一就是高度的集成化设计，但因为引脚定义各家供应商不相同，造成客户对单一供应商的担心，安森美半导体的SPM®49在封装上兼容“M”公司的Large DIP系列产品，可以消除客户对“独家”供应商的担心。

SPM®49采用先进的沟槽型IGBT，比平面型IGBT功率密度更高，使用DBC基板技术，热阻极低，因而有更高的热性能，尺寸为79mm*31mm*8mm，相比Large DIP，SPM®49爬电距离更远，绝缘性能更优。同时，针对电机驱动领域，SPM®49采用短路耐受型的IGBT，可承受长达5 us以上的短路耐受时间。安森美半导体已推出的SPM®49是650 V、50A的NFAL5065L4B和650 V、75A的NFAL7565L4B，未来将陆续推出1200V的10A、25A、35A和50A电流等级产品。

针对相同封装尺寸的SPM®49和Large DIP产品，我们在相同条件下进行了测试，结果显示在所有工作频率 / 输出电流测试条件下，安森美半导体的SPM®49产品NFAL7565L4BT的壳温都比竞争对手低。

新的SPM®31用于3kW至5kW的空调、逆变器、泵和风扇

SPM®31引脚兼容M公司的Mini DIP产品，消除客户对独家供应商的担忧，采用先进的650V沟槽型IGBT和DBC技术，热阻降低12%左右，由于引线引脚和螺丝孔兼容设计，所以无需PCB再设计，且侧面无虚设引脚的先进封装工艺使爬电距离更远，便于散热器设计灵活性改进，此外，内置热敏电阻NTC实现更精确和直接的检测，便于客户的热设计。安森美半导体已推出的SPM®31产品是650 V、30A的NFAM3065L4B和650 V、50A的NFAM5065L4B，未来将陆续推出1200V的5A、10A、20A电流等级产品。

针对相同封装尺寸的SPM®31和Mini DIP产品，我们在相同条件下进行了测试，结果显示在所有工作频率 / 输出电流测试条件下，安森美半导体的SPM®31产品NFAM5065L4BT的壳温和损耗都比竞争对手低，尤其在更高频率、重载的情况下，热性能优势明显。

SPM®34用于达7.5kW的空调、逆变器、泵和风扇

SPM®34覆盖达7.5kW的功率等级，采用先进的650V 和1200V 沟槽型的短路耐受 IGBT，和DBC基板技术，散热性极佳，在工业领域有着很多的成功案例。

表1：SPM®34 (达7.5kW)

成熟的SPM®3V(达5kW) 广泛用于从空调到工业变频器领域

SPM®3V产品最高功率等级为5kW，是最为成熟的IPM产品，从空调到工业变频器领域均有广泛使用，覆盖了1200V的10A到20A的系列产品，而600V更是覆盖了从15A到50A的全电流等级产品，采用先进的650V 和1200V 沟槽型的短路耐受 IGBT，和DBC基板技术，散热性极佳，并通过热侦测实现全面的保护功能。

表2：SPM®3V(达5kW)

SPM® 45用于500W 至 2.2kW的泵、紧凑型工业逆变、白家电

SPM® 45是兼顾散热和成本的高性价比方案，电流覆盖从5A 到30A，内置自举二极管和热敏电阻，引脚复用功能可满足客户更多需求，统一封装兼容1P到3P空调，具有极佳的电磁兼容性能、温度特性，和完善的保护性能。

表3：SPM® 45 (500W 至 2.2kW)

DIP-S6/ DIP-S用于200W至1.1kW的白家电

DIP-S6/DIP-S产品比SPM® 45系列功率密度更高，且内置的驱动芯片可实现直通保护，当控制型号将一个桥臂的上下管同时导通时，DIP-S6/DIP-S产品将屏蔽其中一个信号，避免桥臂直通损坏模块。

功率因数校正(PFC)模块

在PFC模块领域，安森美半导体提供适用于无桥PFC、升压PFC和交错并联PFC等各种PFC拓扑的产品，高度集成功率器件驱动电路，内置热敏电阻，从而提高功率密度，易于PCB布局和设计，电流等级从20A到75A全部覆盖。

表4：安森美半导体提供适用于各种PFC拓扑的模块

值得一提的是，安森美半导体最新的交错式并联功率因数校正模块NFL25065L4B，其功率器件部分内置了两颗第四代短路耐受能力的IGBT、两颗碳化硅(SiC)二极管及驱动芯片，无需客户再进行驱动电路设计，并集成了单相整流桥二极管，同时使用热敏电阻对壳温进行探测，具备优化的电磁兼容性能，单个IGBT功耗和在实际负载工作条件下的壳温都较前代FPAM50LH60降低，且导通时的电流和电压振铃都减小，关断时的拖尾电流明显改善，损耗更小。

SIP方案广泛用于200 W至1kW的工业变频器和泵

SIP系列覆盖600 V、5A/10A/15A额定值，新的SIP-K采用新的IGBT 及 FRD 工艺、第3代沟槽IGBT、极快速二极管，和IMST基板技术，比现有SIP 方案实现更小的封装尺寸，且引脚定义相同，易于替代，广泛用于工业变频器和泵。

SPM8、SPM5和SPM7用于低于200 W的中小功率等级的白家电

针对冰箱、洗衣机、洗碗机和风扇风机在内的低于200W的中小功率等级，安森美半导体提供SPM8、SPM5和SPM7产品，其紧凑化设计可实现产品的高功率密度需求，最小的SPM7产品将6个MOS、4个驱动芯片和众多外围电路集成在一个拇指盖大小的模块中，将风扇电机的物理结构与驱动设计合二为一。

总结

安森美半导体提供1200V和650V/600V全系列的IPM产品，最高功率等级7.5kW，满足工业电机驱动、暖通空调(HVAC)、工业逆变、泵、工业风扇、白家电等各种应用需求，并针对新兴工业应用更紧凑和更高能效的趋势持续开发新的产品，基于新一代沟槽型的短路耐受IGBT技术、先进的DBC和IMST基板技术及丰富的封装，提供更高的能效、功率密度、热性能和可靠性，助力提升工业系统能效。而且，安森美半导体的IPM封装和晶圆基地遍布全球，并不断扩大相关的晶圆和封测产能，以满足日益增长的客户需求。