探索CIPOS™ IKCM20L60GA：控制集成电源系统的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，为各类应用挑选合适的功率模块是一项至关重要的任务。今天，我们将深入探讨英飞凌的Control Integrated POwer System（CIPOS™） IKCM20L60GA，这是一款在电机驱动等领域表现出色的双列直插式智能功率模块。

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一、CIPOS™ IKCM20L60GA概述

1.1 特点

CIPOS™ IKCM20L60GA具有众多令人瞩目的特点。它采用了全隔离双列直插式封装，集成了TRENCHSTOP™ IGBTs和抗并联二极管，并搭配优化的SOI栅极驱动器，电气性能十分出色。其具备的SOI栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有很强的稳定性，在(VBS = 15V)时，允许负的VS电位高达 -11V用于信号传输。同时，它还集成了自举功能、过流关断、温度监测、欠压锁定等功能，并且能够防止交叉导通，在保护状态下所有6个开关都会关闭。此外，该模块的引脚采用无铅电镀，符合RoHS标准。

1.2 目标应用

这款模块适用于多种家电和工业应用，如洗碗机、冰箱、洗衣机、空调、风扇以及低功率电机驱动器等。它能够为这些设备的电机控制提供可靠的解决方案，提高系统的稳定性和效率。

1.3 描述

CIPOS™模块家族为集成各种功率和控制组件提供了机会，有助于提高系统的可靠性，优化PCB尺寸和系统成本。它专门设计用于控制三相交流电机和永磁电机，适用于变速驱动应用，如空调、冰箱和洗衣机等。其封装概念特别适合需要良好热传导和电气隔离，同时具备EMI安全控制和过载保护的功率应用。

1.4 系统配置

该模块的系统配置包括3个带有TRENCHSTOP™ IGBTs和抗并联二极管的半桥、一个三相SOI栅极驱动器、一个热敏电阻，并且引脚到散热器的间隙距离典型值为1.6mm。

二、引脚配置与说明

2.1 引脚配置

CIPOS™ IKCM20L60GA的引脚配置清晰明确，每个引脚都有其特定的功能。从引脚1到24，涵盖了高侧和低侧的电源、控制信号输入、故障输出、电流检测等多种功能。

2.2 引脚说明

• HIN(U, V, W)和LIN(U, V, W)（低侧和高侧控制引脚，引脚7 - 12）：这些引脚为正逻辑，负责控制集成IGBT。其施密特触发器输入阈值可确保与LSTTL和CMOS兼容，最低可兼容3.3V控制器输出。内部提供约5kΩ的下拉电阻，用于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。不建议输入脉冲宽度低于1µs，同时集成的栅极驱动器具备防止直通的能力，避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通，并且驱动器IC还提供典型值为380ns的最小死区时间，以减少外部功率开关的交叉导通。
• VFO（故障输出和NTC，引脚14）：当引脚VDD出现欠压或ITRIP触发过流检测时，VFO引脚会指示模块故障，需要外部连接上拉电阻。该引脚还可直接访问NTC，NTC参考VSS，外部连接到 +5V的上拉电阻可确保得到的电压能直接连接到微控制器。
• ITRIP（过流检测功能，引脚15）：CIPOS™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。ITRIP比较器阈值（典型值0.47V）参考VSS地，输入噪声滤波器（典型值：(t_{ITRIPMIN } = 530ns)）可防止驱动器检测到错误的过流事件。过流检测会在典型值为1000ns的关断传播延迟后，使栅极驱动器的所有输出关断，故障清除时间设置为最小40µs。
• VDD, VSS（低侧控制电源和参考，引脚13, 16）：VDD是控制电源，为输入逻辑和输出功率级提供功率，输入逻辑参考VSS地。欠压电路在电源电压至少达到典型值(V{DDUV+}=12.1V)时，使设备能够上电运行。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，防止外部功率开关在导通状态下出现极低的栅极电压，从而避免过度的功率损耗。
• VB(U, V, W)和VS(U, V, W)（高侧电源，引脚1 - 6）：VB到VS是高侧电源电压，高侧电路可相对于VSS跟随外部高侧功率器件发射极电压浮动。由于功耗较低，浮动驱动器级由集成自举电路供电。欠压检测的上升供应阈值典型值为(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的瞬态鲁棒性，确保在恶劣条件下设计的稳定性。
• NW, NV, NU（低侧发射极，引脚17 - 19）：低侧发射极可用于测量每个相桥臂的电流，建议将与引脚VSS的连接尽可能短，以避免不必要的电感电压降。
• W, V, U（高侧发射极和低侧集电极，引脚20 - 22）：这些引脚是电机U、V、W相的输入引脚。
• P（正母线输入电压，引脚23）：高侧IGBT连接到母线电压，需注意母线电压不超过450V。

三、电气参数

3.1 绝对最大额定值

• 模块部分：存储温度范围为 -40°C到125°C，隔离测试电压RMS（f = 60Hz，t = 1min）为2000V，工作外壳温度范围为 -40°C到125°C。
• 逆变器部分：最大阻断电压为600V，P - N之间的直流母线电源电压为450V，P - N之间的直流母线电源电压（浪涌）为500V，输出电流在不同条件下有所不同，最大峰值输出电流（小于1ms）为 -40A到40A，短路耐受时间（VDC ≤ 400V，TJ = 150°C）为5µs，每个IGBT的功率耗散为29.2W，工作结温范围为 -40°C到150°C，单个IGBT的结 - 壳热阻为4.28K/W，单个二极管的结 - 壳热阻为4.87K/W。
• 控制部分：模块电源电压为 -1V到20V，高侧浮动电源电压（VB vs. VS）为 -1V到20V，输入电压（LIN, HIN, ITRIP）为 -1V到10V，开关频率为20kHz，允许的短路次数小于1000次，短路之间的时间大于1s。

3.2 推荐操作条件

所有电压均为相对于Vss电位的绝对电压，除非另有说明。直流母线电源电压（P - N）为0V到400V，高侧浮动电源电压（VB vs. VS）为13.5V到18.5V，低侧电源电压为14.5V到18.5V，控制电源变化为 -1V/µs到1V/µs，逻辑输入电压（LIN, HIN, ITRIP）为0V到5V，VSS - N之间（包括浪涌）为 -5V到5V。

3.3 静态参数

在(V{DD}=15V)和(T{J}=25°C)（除非另有说明）的条件下，包含集电极 - 发射极饱和电压、二极管正向电压、集电极 - 发射极泄漏电流、逻辑“1”和“0”输入电压、ITRIP正向阈值、ITRIP输入滞回、VDD和VBS电源欠压正向和负向阈值、VDD和VBS电源欠压锁定滞回、输入钳位电压、静态VBx电源电流、静态VDD电源电流、输入偏置电流、ITRIP输入偏置电流、VFO输入偏置电流和VFO输出电压等参数。

3.4 动态参数

同样在(V{DD}=15V)和(T{J}=25°C)（除非另有说明）的条件下，涵盖了导通传播延迟时间、导通上升时间、导通开关时间、反向恢复时间、关断传播延迟时间、关断下降时间、关断开关时间、短路传播延迟时间、输入滤波时间（ITRIP和LIN, HIN）、故障清除时间、低侧和高侧之间的死区时间、栅极驱动电路的死区时间、IGBT导通能量、IGBT关断能量和二极管恢复能量等参数。

3.5 自举参数

在(T_{J}=25°C)（除非另有说明）的条件下，包括重复峰值反向电压、U相自举二极管电阻、反向恢复时间和正向电压降等参数。

3.6 热敏电阻参数

热敏电阻在不同温度下具有不同的电阻值，25°C时的电阻典型值为85kΩ，NTC的B常数（25/100）典型值为4092K，并给出了不同温度下电阻的最小值、典型值和最大值。

四、机械特性和额定值

• 安装扭矩：使用M3螺丝和垫圈时，安装扭矩为0.59Nm到0.78Nm，典型值为0.69Nm。
• 平整度：参考特定图形，平整度范围为 -50µm到100µm。
• 重量：典型值为6.15g。

五、典型应用电路

5.1 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），(C{IN})应尽可能靠近(Vss)引脚放置。

5.2 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。

5.3 VFO电路

VFO输出是开漏输出，该信号线应用适当的电阻(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。

5.4 VB - VS电路

高侧浮动电源电压的电容器应尽可能靠近VB和VS引脚放置。

5.5 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。

5.6 分流电阻

应使用SMD型分流电阻以减少其杂散电感。

5.7 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。

六、总结

CIPOS™ IKCM20L60GA是一款功能强大、性能卓越的控制集成电源系统模块。它在多个方面表现出色，能够为各类电机驱动应用提供可靠的解决方案。电子工程师在设计相关电路时，可根据其详细的电气参数和典型应用电路进行合理设计，以充分发挥该模块的优势。同时，在使用过程中，务必注意其绝对最大额定值和推荐操作条件，确保系统的安全稳定运行。你在实际应用中是否使用过类似的模块？遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。