探索CIPOS™ IKCM10H60HA：集成电力系统新选择

在电子工程师的日常工作中，选择合适的功率系统模块对于设计的成功至关重要。今天，我们就来深入了解一下英飞凌的Control Integrated POwer System（CIPOS™）IKCM10H60HA。

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1. 产品概述

CIPOS™ IKCM10H60HA是一款双列直插式智能功率模块，适用于三相交流电机和永磁电机的变速驱动，尤其在高开关频率应用（约15kHz）中表现出色，比如洗衣机。它将各种功率和控制组件集成在一起，能提高系统可靠性，优化PCB尺寸和系统成本。

2. 产品特点

2.1 先进的技术集成

• TRENCHSTOP™ IGBTs：采用了先进的TRENCHSTOP™ IGBT技术，结合反并联二极管，与优化的SOI栅极驱动器配合，实现了卓越的电气性能。
• SOI栅极驱动技术：具备坚固的SOI栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有稳定性，确保驱动的可靠性。

2.2 高效的开关性能

• 短死区时间：最小死区时间仅为0.5μs，且具备0.5μs的开/关脉冲宽度响应能力，同时6个驱动器输出的开/关延迟时间匹配，提高了开关效率。
• 负电压耐受能力：在(VBS = 15V)时，允许高达 -11V的负VS电位用于信号传输，适应复杂的工作环境。

2.3 全面的保护功能

• 过流保护：具备过流检测功能，当检测到过流时，会触发所有输出关闭，保护模块安全。
• 欠压锁定：所有通道都具备欠压锁定功能，防止外部功率开关在导通状态下出现极低的栅极电压，避免过度功耗。
• 交叉导通预防：集成了交叉导通预防功能，避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通，确保系统稳定运行。

2.4 环保设计

采用无铅端子电镀，符合RoHS标准，体现了环保理念。

3. 目标应用

CIPOS™ IKCM10H60HA适用于多种应用场景，如洗衣机、风扇和低功率电机驱动器等。这些应用通常需要高效、可靠的功率控制，而该模块正好满足了这些需求。大家在设计类似产品时，是否考虑过CIPOS™ IKCM10H60HA呢？

4. 引脚配置与功能

4.1 引脚配置

该模块共有24个引脚，每个引脚都有其特定的功能。详细的引脚分配如下表所示：	Pin Number	Pin Name	Pin Description
1	VS(U)	U-phase high side floating IC supply offset voltage
2	VB(U)	U-phase high side floating IC supply voltage
3	VS(V)	V-phase high side floating IC supply offset voltage
4	VB(V)	V-phase high side floating IC supply voltage
5	VS(W)	W-phase high side floating IC supply offset voltage
6	VB(W)	W-phase high side floating IC supply voltage
7	HIN(U)	U-phase high side gate driver input
8	HIN(V)	V-phase high side gate driver input
9	HIN(W)	W-phase high side gate driver input
10	LIN(U)	U-phase low side gate driver input
11	LIN(V)	V-phase low side gate driver input
12	LIN(W)	W-phase low side gate driver input
13	VDD	Low side control supply
14	VFO	Fault output
15	ITRIP	Over current shutdown input
16	VSS	Low side control negative supply
17	NW	W-phase low side emitter
18	NV	V-phase low side emitter
19	NU	U-phase low side emitter
20	W	Motor W-phase output
21	V	Motor V-phase output
22	U	Motor U-phase output
23	P	Positive bus input voltage
24	NC	No Connection

4.2 引脚功能

• 控制引脚（HIN(U, V, W)和LIN(U, V, W)）：这些引脚为正逻辑，负责控制集成IGBT。内部提供约5kΩ的下拉电阻，在电源启动时对输入进行预偏置，并设有齐纳钳位用于引脚保护。输入施密特触发器和噪声滤波器可有效抑制短输入脉冲的噪声。不过，不建议提供低于0.5µs的输入脉冲宽度。同时，集成的栅极驱动还具备直通预防能力，避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通。
• 故障输出引脚（VFO）：当VDD引脚出现欠压或ITRIP引脚触发过流检测时，VFO引脚会指示模块故障，需要外部接上拉电阻。
• 过流检测引脚（ITRIP）：通过将ITRIP输入与IGBT集电极电流反馈相连，实现过流检测功能。比较器阈值典型值为0.47V，参考VSS地。输入噪声滤波器可防止误检测过流事件。过流检测会在典型1000ns的关断传播延迟后，使栅极驱动器的所有输出关闭，故障清除时间至少为40µs。
• 电源引脚（VDD, VSS）：VDD为控制电源，为输入逻辑和输出功率级提供电源，输入逻辑参考VSS地。欠压电路使设备在电源电压至少达到典型值(V{DDUV+}=12.1V)时才能启动，当VDD电源电压低于(V{DDuv - }=10.4V)时，IC会关闭所有栅极驱动器的功率输出。
• 高端电源引脚（VB(U, V, W)和VS(U, V, W)）：VB到VS为高端电源电压，高端电路可随外部高端功率器件发射极电压相对于VSS浮动。由于功耗低，浮动驱动器级由集成自举电路供电。欠压检测的上升阈值典型值为(V{BSUV+}=12.1V)，下降阈值为(V{BSUV}=10.4V)。VS(U, V, W)对VSS的负电压具有高达 -50V的瞬态耐受性，确保在恶劣条件下设计的稳定性。
• 低端发射极引脚（NW, NV, NU）：可用于各相桥臂的电流测量，建议尽量缩短与VSS引脚的连接，以避免不必要的电感电压降。
• 电机输入引脚（W, V, U）：为电机U、V、W相的输入引脚。
• 正母线输入电压引脚（P）：高端IGBT连接到母线电压，但需注意母线电压不超过450V。

5. 参数指标

5.1 绝对最大额定值

模块部分	条件	符号	最小值	最大值	单位
存储温度范围		Tstg	-40	125	°C
隔离测试电压	RMS, f = 60Hz, t = 1min	VISOL	2000	-	V
工作外壳温度范围	参考图6	TC	-40	125	°C

逆变器部分	条件	符号	最小值	最大值	单位
最大阻断电压	IC = 250µA	VCES	600	-	V
P - N直流母线电源电压	施加在P - N之间	VPN	-	450	V
P - N直流母线电源电压（浪涌）	施加在P - N之间	VPN(surge)	-	500	V
输出电流	TC = 25°C, TJ < 150°C；TC = 80°C, TJ < 150°C	IC	-10、 -6	10、 6	A
最大峰值输出电流	小于1ms	IC(peak)	-16	16	A
短路耐受时间1	VDC ≤ 400V, TJ = 150°C	tSC	-	5	µs
每个IGBT的功耗		Ptot	-	23.1	W
工作结温范围		TJ	-40	150	°C
单个IGBT热阻，结 - 壳		RthJC	-	5.42	K/W
单个二极管热阻，结 - 壳		RthJCD	-	6.88	K/W

控制部分	条件	符号	最小值	最大值	单位
模块电源电压		VDD	-1	20	V
高端浮动电源电压（VB vs. VS）		VBS	-1	20	V
输入电压	LIN, HIN, ITRIP	VIN、VITRIP	-1、 -1	10、 10	V
开关频率		fPWM	-	20	kHz

允许的短路次数：<1000；短路间隔时间：>1s。

5.2 推荐工作条件

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位
P - N直流母线电源电压	VPN	0	-	450	V
高端浮动电源电压（VB vs. VS）	VBS	13.5	-	18.5	V
低端电源电压	VDD	14.5	16	18.5	V
控制电源变化	ΔVBS, ΔVDD	-1、 -1	-	1、 1	V/µs
逻辑输入电压LIN, HIN, ITRIP	VIN、VITRIP	0、 0	-	5、 5	V
VSS - N之间（包括浪涌）	VSS	-5	-	5	V

5.3 静态参数

在(V{DD}=15V)和(T{J}=25^{circ}C)（除非另有说明）的条件下，静态参数如下：	描述	条件	符号	最小值	典型值	最大值	单位
集电极 - 发射极饱和电压	IC = 6A，TJ = 25°C、150°C	VCE(sat)	-、 -	1.8、 2.3	2.6、 -	V
二极管正向电压	IF = 6A，TJ = 25°C、150°C	VF	-、 -	1.75、 1.8	2.35、 -	V
集电极 - 发射极泄漏电流	VCE = 600V	ICES	-	-	1	mA
逻辑“1”输入电压（LIN, HIN）		VIH	-	2.1	2.5	V
逻辑“0”输入电压（LIN, HIN）		VIL	0.7	0.9	-	V
ITRIP正向阈值		VIT,TH+	400	470	540	mV
ITRIP输入迟滞		VIT,HYS	40	70	-	mV
VDD和VBS电源欠压正向阈值		VDDUV+、VBSUV+	10.8	12.1	13.0	V
VDD和VBS电源欠压负向阈值		VDDUV - 、VBSUV -	9.5	10.4	11.2	V
VDD和VBS电源欠压锁定迟滞		VDDUVH、VBSUVH	1.0	1.7	-	V
输入钳位电压（HIN, LIN, ITRIP）	Iin = 4mA	VINCLAMP	9.0	10.1	12.5	V
静态VBx电源电流（仅VBx）	HIN = 0V	IQBS	-	300	500	µA
静态VDD电源电流（仅VDD）	LIN = 0V, HINX = 5V	IQDD	-	370	900	µA
输入偏置电流	VIN = 5V	IIN+	-	1	1.5	mA
输入偏置电流	VIN = 0V	IIN -	-	2	-	µA
ITRIP输入偏置电流	VITRIP = 5V	ITRIP+	-	65	150	µA
VFO输入偏置电流	VFO = 5V, VITRIP = 0V	IFO	-	2	-	nA
VFO输出电压	IFO = 10mA, VITRIP = 1V	VFO	-	0.5	-	V

5.4 动态参数

同样在(V{DD}=15V)和(T{J}=25^{circ}C)（除非另有说明）的条件下，动态参数如下：	描述	条件	符号	最小值	典型值	最大值	单位
导通传播延迟时间	VLIN, HIN = 5V, IC = 6A, VDC = 300V	ton	-	600	-	ns
导通上升时间	tr	-	15	-	ns
导通开关时间	tc(on)	-	80	-	ns
反向恢复时间	trr	-	90	-	ns
关断传播延迟时间	VLIN, HIN = 0V, IC = 6A, VDC = 300V	toff	-	770	-	ns
关断下降时间	tf	-	90	-	ns
关断开关时间	tc(off)	-	125	-	ns
短路传播延迟时间	从VIT,TH+到10%ISC	tSCP	-	1200	-	ns
ITRIP输入滤波时间	VITRIP = 1V	tITRIPmin	-	530	-	ns
LIN, HIN导通和关断输入滤波时间	VLIN, HIN = 0V & 5V	tFILIN	-	290	-	ns
ITRIP故障后故障清除时间	VITRIP = 1V	tFLTCLR	40	65	200	µs
低端和高端之间的死区时间		DTPWM	0.5	-	-	µs
栅极驱动电路的死区时间		DTIC	-	380	-	ns
IGBT导通能量（包括二极管反向恢复）	VDC = 300V, IC = 6A，TJ = 25°C、150°C	Eon	-、 -	95、 135	-、 -	µJ
IGBT关断能量	VDC = 300V, IC = 6A，TJ = 25°C、150°C	Eoff	-、 -	95、 135	-、 -	µJ
二极管恢复能量	VDC = 300V, IC = 6A，TJ = 25°C、150°C	Erec	-、 -	25、 50	-、 -	µJ

5.5 自举参数

在(T_{J}=25^{circ}C)（除非另有说明）的条件下，自举参数如下：	描述	条件	符号	最小值	典型值	最大值	单位
重复峰值反向电压		VRRM	600	-	-	V
U相自举二极管电阻1	VS2或VS3 = 300V, TJ = 25°C；VS2和VS3 = 0V, TJ = 25°C；VS2或VS3 = 300V, TJ = 125°C；VS2和VS3 = 0V, TJ = 125°C	RBS1	-	35、 40、 50、 65	-	Ω
反向恢复时间	IF = 0.6A, di/dt = 80A/µs	trr_BS	-	50	-	ns
正向电压降	IF = 20mA, VS2和VS3 = 0V	VF_BS	-	2.6	-	V

注：(R{BS 2})和(R{BS 3})与(R_{B S 1})值相同。

6. 机械特性与典型应用电路

6.1 机械特性

• 安装扭矩：使用M3螺丝和垫圈时，安装扭矩范围为0.59 - 0.78 Nm，典型值为0.69 Nm。
• 平整度：平整度范围为 -50 - 100 µm。
• 重量：模块重量为6.15 g。

6.2 典型应用电路

6.2.1 输入电路

为减少高速开关引起的输入信号噪声，应安装(RIN)和(C{IN})滤波电路（100Ω，1nF），且(C{IN})应尽可能靠近(Vss)引脚放置。

6.2.2 Itrip电路

为防止保护功能出错，(CITRIP)应尽可能靠近Itrip和(Vss)引脚放置。

6.2.3 VFO电路

VFO输出为开漏输出，该信号线应通过合适的电阻(Rpu)上拉到5V/3.3V逻辑电源的正极。建议将RC滤波器尽可能靠近控制器放置。

6.2.4 VB - VS电路

高端浮动电源电压的电容应尽可能靠近VB和VS引脚放置。

6.2.5 缓冲电容器

CIPOS™ Mini与缓冲电容器（包括分流电阻）之间的布线应尽可能短。

6.2.6 分流电阻

应使用SMD类型的分流电阻，以减少其杂散电感。

6.2.7 接地模式

接地模式应在分流电阻的一点处尽可能短地分开。

7. 总结

CIPOS™ IKCM10H60HA是一款功能强大、性能卓越的集成电力系统模块，具备多种先进技术和全面的保护功能，适用于多种电机驱动应用。在设计过程中，我们需要根据具体需求合理选择参数，并注意引脚配置和应用电路的设计。大家在实际应用中是否遇到过类似模块的使用问题呢？欢迎在评论区分享交流。