CIPOS™ Tiny IM393 - S6E：高效电机驱动IPM的全方位解析

在当今的家电和小型工业设备中，电机驱动的高效性和可靠性至关重要。CIPOS™ Tiny IM393 - S6E作为一款集成功率混合IC，为高级家电电机驱动应用带来了卓越的解决方案。今天，我们就来深入了解这款产品。

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1. 产品概述

IM393 - S6E是一款适用于节能风扇、水泵等高级家电电机驱动应用的6A、600V集成功率混合IC。它将英飞凌最新的低(V_{CE(on)})沟槽IGBT技术与行业标杆的三相高压、高速驱动器集成在一个完全隔离的热增强封装中，提供了极为紧凑且高性能的交流电机驱动器，大幅简化了设计流程。

2. 产品特性亮点

综合集成设计

• 集成栅极驱动器与自举功能：集成的栅极驱动器能够有效控制IGBT，自举功能则保障了高侧电路的正常供电，使得电路设计更加简洁高效。
• 温度监测：内置的高精度温度监测功能，可实时监控模块温度，为系统的稳定性提供保障。当温度异常时，能及时采取措施，避免因过热导致的故障。
• 保护停机引脚：一旦出现异常情况，如过流、过温等，保护停机引脚可迅速切断电源，保护模块和其他元件免受损坏。

先进的IGBT技术

采用低(V_{CE(on)})沟槽IGBT技术，在导通损耗和开关损耗之间实现了最佳平衡，提高了能源转换效率。这种技术使得模块在工作时能够减少能量损耗，降低发热，提高整体性能。

全面的保护机制

• 欠压锁定：所有通道都具备欠压锁定功能，当电源电压低于设定阈值时，自动关闭模块，防止因低电压导致的异常工作。
• 交叉导通防止逻辑：有效避免同一逆变相的高侧和低侧开关同时导通，减少短路风险，提高系统的可靠性。
• 隔离性能：具备2000VRMs的最低隔离电压和(CTI > 600)的耐漏电起痕指数，且通过了UL认证（文件编号E314539），确保了电气安全。

3. 引脚配置与功能详解

引脚分配

IM393 - S6E共有36个引脚，其中部分引脚为空脚（N/A），其他引脚承担着不同的功能，包括电源输入、信号控制、相输出等。下面为你详细介绍一些关键引脚：	引脚	名称	描述
1、33、35	P	正母线输入电压，连接到高侧IGBT，需注意母线电压不超过450V。
12	VDD	低侧控制电源，为输入逻辑和输出功率级提供电源。
13	VTH	温度监测引脚，通过连接热敏电阻，可获取模块的温度信息。
16	ITRIP	过流保护输入引脚，用于检测电路中的过流情况。
17	RFE	集成了RCIN、故障输出和使能输入三种功能。
18 - 20	HIN(U, V, W)	U、V、W相高侧栅极驱动器输入。
21 - 23	LIN(U, V, W)	U、V、W相低侧栅极驱动器输入。
24 - 29	N(U, V, W)	U、V、W相低侧发射极，可用于电流测量。
30 - 32	U、V、W	U、V、W相输出，连接到电机。

引脚功能详述

• HIN(U, V, W)和LIN(U, V, W)：正逻辑控制引脚，负责集成IGBT的控制。具有施密特触发输入阈值，可确保与3.3V控制器输出的LSTTL和CMOS兼容性。内部提供约4kΩ的下拉电阻和ESD保护二极管，同时具备输入施密特触发器和噪声滤波器，可抑制短输入脉冲噪声。此外，集成栅极驱动器还具备防止直通的能力，典型的最小死区时间插入约为275ns，可减少外部功率开关的交叉导通。
• VDD和COM：VDD是低侧控制电源，为输入逻辑和输出功率级供电。输入逻辑以COM为参考地。当VDD电源电压达到典型值(V{DDUY +}=10.4V)时，欠压电路使器件开始工作；当VDD低于(V{DDUy -}=9.4V)时，IC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因栅极电压过低而产生过大的功率损耗。
• (V{B(U, V, W)})和(V{S(U, V, W)})：高侧电源，(V{B})到(V{S})是高侧电源电压，高侧电路可随外部高侧功率器件发射极电压相对于COM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 +}=10.41V)，下降阈值为(V{BSUV}=9.4V)。(V_{S(U, V, W)})对COM的负电压具有高鲁棒性，确保在恶劣条件下设计的稳定性。
• N(U, V, W)：低侧发射极，可用于各相电流测量。建议将其与COM引脚的连接尽可能短，以避免不必要的电感电压降。
• VTH：集成了经过UL认证的NTC热敏电阻，芯片的一端连接到COM，另一端连接到VTH。当通过电阻上拉到VDD或3.3V等轨电压时，VTH引脚提供与热敏电阻温度对应的模拟电压信号。
• RFE：集成了三种功能。在正常工作条件下，(R{acin})将RFE引脚拉至3.3V，使能IPM的所有功能；微控制器可将该引脚拉低以禁用IPM功能。当出现VDD欠压或ITRIP引脚电压超过(V{IT,TH +})时，RFE引脚拉低以报告故障。可编程故障清除定时器功能可在故障条件消失后的预设时间（(T{FLT - CLR})）自动重新启用模块操作，(T{FLT - CLR})可通过公式[T{FLT - CLR}=-R{RCIN}C_{RCIN} ln (1 - V{IN,TH +}/ 3.3V)]计算。同时，为确保在过流事件时(C{RCIN})能完全放电，需对其进行最小化处理，最大(C{RCIN})可通过公式[C{RCIN}<350 ns / (-ln (V{IN, TH -}/ 3.3V) * R{RFEON})]计算。建议使用的(R{RCIN})范围在0.5MΩ至2MΩ之间。

4. 电气特性与参数

绝对最大额定值

类别	参数	符号	条件	值	单位
模块	工作结温	(T_{J})	IGBT、二极管、HVIC	-40 ~ 150	°C
	工作壳温	(T_{C})	- 40 ~ 125	°C
	储存温度	(T_{STG})	- 40 ~ 125	°C
	隔离测试电压	(V_{ISO})	AC RMS，1分钟，60Hz	2000	V
逆变器	阻断电压	(V_{CES})	IGBT、二极管、HVIC	600	V
	P - N直流母线电源电压	(V_{PN})	施加在P和N之间	450	V
	P - N直流母线电源浪涌电压	(V_{PN(surge)})	施加在P和N之间	500	V
	输出电流	(I_{O})	(T{C}=25°C)，(T{J}<150°C)	±6	A
	峰值输出电流	(I_{O(peak)})	(T{C}=25°C)，(T{J}<150°C)，小于1ms	±9	A
	每个IGBT的功率损耗	(P_{tot})	18	W
	短路耐受时间	(T_{SC})	(T{J}<150°C)，(V{DC}=360V)，(V_{GE}=15V)	3	μs
控制	逻辑电源电压	(V_{DD})	- 0.3 ~ 20	V
	输入电压	(V_{IN})	LIN、HIN、ITRIP、RFE	- 0.3 ~ 20	V
	高侧浮动电源电压	(V_{BS(U,V,W)})	- 0.3 ~ 20	V

静态参数

• 逆变器：在(V{BIAS}(V{DD}, V{BS(U, V, W)}) = 15V)，(T{J}=25°C)的条件下，如集电极 - 发射极饱和电压(V{CE(ON)})，当(I{C}=3A)时，典型值为1.5V；当(I{C}=3A)，(T{J}=150°C)时，典型值为1.7V。
• 控制：逻辑“1”输入电压(V{IN,TH +})典型值为2.5V，逻辑“0”输入电压(V{IN,TH -})最大值为0.8V。(V{DD}/V{BS})电源欠压正阈值典型值为10.4V，负阈值典型值为9.4V。

动态参数

• 逆变器：在(V{BIAS}(V{DD}, V{BS(U, V, W)}) = 15V)，(T{J}=25°C)的条件下，输入到输出导通传播延迟典型值为1.15us，关断传播延迟典型值也为1.15us。
• 控制：输入滤波器时间（RFE），在不同条件下有不同的典型值和最大值，匹配传播延迟时间在外部死区时间大于420ns时有相应要求。

热特性

单个IGBT的结 - 壳热阻(R{TH(J - C)})典型值为5.8°C/W，单个二极管的结 - 壳热阻(R{TH(J - C)D})典型值为6.6°C/W。

5. 潜在应用领域

IM393 - S6E具有广泛的应用前景，可用于洗衣机、空调、冰箱、风扇、洗碗机等家电设备，以及低功率电机驱动领域。在这些应用中，其高效、可靠的性能能够满足设备对电机控制的要求，提高设备的整体效率和稳定性。

6. 应用注意事项

典型应用电路

在设计应用电路时，需要注意以下几点：

• 输入电路：使用RC滤波器（如100Ω、1nF）降低输入信号噪声，电容应靠近CIPOS™ Tiny放置，特别是靠近COM端子。
• Itrip电路：为防止保护功能误动作，建议使用RC滤波器，电容应靠近Itrip和COM端子。
• VTH电路：通过合适的电阻将该端子上拉到5V/3.3V的偏置电压，以定义适合温度监测的电压。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应靠近VB和VS端子放置，强烈建议增加典型值为0.1mF的高频电容，同时应尽量减少电机和自举电容的布线重叠。
• 缓冲电容：CIPOS™ Tiny、缓冲电容和分流电阻之间的布线应尽可能短。
• 分流电阻：强烈建议使用SMD型分流电阻，以最小化其内部杂散电感。
• 接地模式：应尽量减少功率接地和信号接地的布线重叠，仅在分流电阻的公共端连接两种接地模式，以确保电位相同。
• COM模式：两个COM端子应连接在一起。
• RFE电路：设置故障清除时间的R和C参数可参考相关电路图。由于其为开漏结构，该R电阻对于故障输出报告功能也是必需的。
• P模式：两个P端子应连接在一起。

性能与温度关系

最大工作电流安全工作区（SOA）会根据实际工作条件有所变化。典型的(T{J})与(T{TH})相关性图表（正弦调制，(V{DC}=300V)，(I{phase}=5A{rms})，(f{sw}=16kHz)，(f{mod}=50Hz)，(MI = 0.8)，(PF = 0.6)）可帮助我们了解模块在不同工作条件下的温度变化情况，从而合理设计散热系统。同时，负瞬态(V{s})安全工作区图表可帮助我们评估集成栅极驱动器在负电压情况下的性能。

7. 总结

CIPOS™ Tiny IM393 - S6E以其集成度高、性能优越、保护功能完善等特点，为家电和低功率电机驱动应用提供了优秀的解决方案。在实际应用中，工程师需根据具体的应用需求和工作条件，合理选择参数，优化电路设计，以充分发挥该模块的性能优势。大家在使用过程中是否遇到过类似产品的一些特殊问题呢？欢迎在评论区分享交流。