CIPOS™ Tiny IM393-L6E：高效集成功率模块的技术解析

在电子工程领域，对于先进家电电机驱动应用而言，一款性能卓越且设计紧凑的功率模块至关重要。今天我们就来深入探讨英飞凌的 CIPOS™ Tiny IM393 - L6E 这款 15A、600V 的集成功率混合 IC，看看它是如何在众多应用中发挥关键作用的。

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产品概述

IM393 - L6E 专为先进家电电机驱动应用而设计，如节能风扇和泵等。它将英飞凌最新的低 (V_{CE(on)}) 沟槽 IGBT 技术与业界标杆的三相高压、高速驱动器（3.3V 兼容）集成在一个完全隔离的热增强封装中，实现了极致的紧凑性和高性能。同时，内置的高精度温度监测和过流保护功能，以及短路额定 IGBT 和集成欠压锁定功能，为系统提供了高水平的保护和故障安全运行能力。

产品特性

集成功能

• 集成栅极驱动器和自举功能：简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
• 温度监测：通过内置的 UL 认证 NTC 热敏电阻，能够实时监测模块温度，为系统提供温度保护。
• 保护关断引脚：在出现故障时，能够快速切断电源，保护模块和系统安全。

先进技术

• 低 (V_{CE(on)}) 沟槽 IGBT 技术：在导通和开关损耗之间实现了最佳平衡，提高了能源效率。
• 欠压锁定功能：所有通道均具备欠压锁定功能，确保在电源电压不稳定时，模块能够正常工作。
• 匹配的传播延迟：所有通道的传播延迟匹配，保证了系统的稳定性和可靠性。

电气特性

• 3.3V 施密特触发输入逻辑：兼容多种控制器输出，提高了系统的兼容性。
• 交叉导通防止逻辑：避免了同一逆变器相的高侧和低侧开关同时导通，减少了短路风险。
• 高隔离性能：最小隔离电压为 2000VRMs，CTI > 600，确保了系统的安全性。

引脚配置与功能

引脚分配

IM393 - L6E 采用 DIP 34x15 封装，共有 36 个引脚，其中部分引脚为空。不同引脚承担着不同的功能，如正母线输入电压（P）、高侧浮动电源电压（VB）、低侧控制电源（VDD）等。

引脚功能解析

• HIN 和 LIN 引脚：用于控制集成 IGBT，具备施密特触发输入阈值，保证了与 LSTTL 和 CMOS 兼容，内部还提供了下拉电阻和 ESD 保护二极管。
• VDD 和 COM 引脚：VDD 为控制电源，为输入逻辑和输出功率级提供电源，COM 为低侧控制负电源。欠压电路确保在电源电压达到一定值时模块才能正常工作。
• VB 和 VS 引脚：为高侧电源，高侧电路可跟随外部高侧功率器件发射极电压浮动，采用集成自举电路供电，具备欠压检测功能。
• N 引脚：用于各相电流测量，建议与 COM 引脚连接尽可能短，以避免不必要的电感电压降。
• VTH 引脚：通过与 COM 引脚连接的 UL 认证 NTC 热敏电阻，提供与温度对应的模拟电压信号。
• RFE 引脚：集成了 RCIN、故障输出和使能输入三种功能，可根据不同情况控制模块的工作状态。

性能参数

绝对最大额定值

• 模块参数：工作结温范围为 - 40 ~ 150°C，工作壳温范围为 - 40 ~ 125°C，存储温度范围为 - 40 ~ 125°C，隔离测试电压为 2000V。
• 逆变器参数：阻塞电压为 600V，P - N 直流母线电源电压为 450V，浪涌电压为 500V，输出电流为 ±15A，峰值输出电流为 ±22.5A，每个 IGBT 的功率损耗为 23W，短路耐受时间为 3μs。
• 控制参数：逻辑电源电压范围为 - 0.3 ~ 20V，输入电压范围为 - 0.3 ~ 20V，高侧浮动电源电压范围为 - 0.3 ~ 20V。

热特性

单个 IGBT 的结 - 壳热阻典型值为 4.7°C/W，单个二极管的结 - 壳热阻典型值为 6.1°C/W。

推荐工作条件

正直流母线输入电压最大为 450V，低侧控制电源电压推荐范围为 13.5 ~ 16.5V，高侧浮动电源电压推荐范围为 12.5 ~ 17.5V，输入电压范围为 0 ~ 5V，PWM 载波频率为 20kHz，COM 和 N 之间的电压范围为 - 5 ~ 5V，外部死区时间为 1μs，输入脉冲宽度为 1μs。

静态参数

• 逆变器参数：集电极 - 发射极饱和电压在不同电流和温度条件下有所不同，集电极 - 发射极漏电流和二极管正向电压降也受温度影响。
• 控制参数：逻辑“1”输入电压为 2.5V，逻辑“0”输入电压为 0.8V，VDD 和 VBS 电源欠压阈值有正负之分，还涉及到静态电流、输入偏置电流、ITRIP 阈值电压等参数。

动态参数

• 逆变器参数：包括输入到输出的导通和关断传播延迟、RFE 低电平到六个开关关断的传播延迟、ITRIP 到六个开关关断的传播延迟，以及 IGBT 的导通和关断能量、二极管的反向恢复能量等。
• 控制参数：输入滤波时间、ITRIP 到故障传播延迟、内部注入死区时间、所有通道的匹配传播延迟时间等。

热敏电阻特性

热敏电阻在 25°C 时的电阻典型值为 47kΩ，125°C 时为 1.41kΩ，B 常数典型值为 4050K，温度范围为 - 40 ~ 125°C。

应用指南

典型应用原理图

在实际应用中，需要注意以下几点：

• 输入电路：使用 RC 滤波器减少输入信号噪声，电容器应靠近 CIPOS™ Tiny 放置。
• Itrip 电路：为防止保护功能误操作，建议使用 RC 滤波器，电容器应靠近 Itrip 和 COM 端子。
• VTH 电路：通过合适的电阻将 VTH 端子上拉到偏置电压，用于温度监测，建议在靠近控制器处放置 RC 滤波器。
• VB - VS 电路：高侧浮动电源电压的电容器应靠近 VB 和 VS 端子放置，建议添加额外的高频电容器。
• 缓冲电容器：CIPOS™ Tiny、缓冲电容器和分流电阻之间的布线应尽可能短。
• 分流电阻：强烈推荐使用 SMD 型分流电阻，以最小化内部杂散电感。
• 接地模式：应尽量减少功率接地和信号接地的模式重叠，仅在分流电阻的公共端连接。
• COM 模式：两个 COM 端子应连接在一起。
• RFE 电路：根据故障清除时间设置 R 和 C 参数，R 电阻对于故障输出报告功能是必需的。
• P 模式：两个 P 端子应连接在一起。

性能图表

提供了最大工作电流 SOA、Tj 与 Tth 的相关性、负瞬态 Vs SOA 等性能图表，可帮助工程师根据实际情况进行设计和优化。

总结

CIPOS™ Tiny IM393 - L6E 凭借其卓越的性能、丰富的功能和紧凑的设计，为先进家电电机驱动应用提供了一个理想的解决方案。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择工作条件和参数，确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似功率模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。