CIPOS™ Tiny IM393 - S6FP：高效集成功率模块的详细解析

在电子工程领域，对于先进家电电机驱动应用，一款性能卓越且设计简便的功率模块至关重要。今天，我们就来深入了解英飞凌（Infineon）推出的 CIPOS™ Tiny IM393 - S6FP 集成功率混合 IC。

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一、产品概述

IM393 - S6FP 是一款适用于高效风扇和泵等先进家电电机驱动应用的 6A、600V 集成功率混合 IC。它采用英飞凌的先进技术，将高性能交流电机驱动器集成在一个隔离封装中，极大地简化了设计流程。这款先进的智能功率模块（IPM）结合了英飞凌最新的低 (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，同时还集成了行业基准的三相高压、高速驱动器（与 3.3V 兼容），并采用了完全隔离的热增强封装。此外，它还具备内置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，提供了高水平的保护和故障安全操作。

二、产品特性

（一）集成功能

• 集成栅极驱动器和自举功能：能够有效驱动 IGBT，简化了外部电路设计。
• 温度监测：内置温度监测功能，可实时监控模块温度，确保其在安全温度范围内运行。
• 保护关断引脚：当出现异常情况时，可通过该引脚快速关断模块，保护设备安全。

（二）IGBT 技术

采用低 (V_{CE(on)}) 沟槽 IGBT 技术，降低了导通损耗，提高了效率。

（三）保护功能

• 欠压锁定：所有通道均具备欠压锁定功能，防止因电压过低导致的设备损坏。
• 交叉导通防止逻辑：避免同一逆变器相的高侧和低侧开关同时导通，提高了系统的可靠性。

（四）电气特性

• 隔离性能：最小隔离电压为 2000VRMs，且 (CTI > 600)，提供了良好的电气隔离。
• 输入逻辑：3.3V 施密特触发输入逻辑，兼容多种控制器输出。

（五）认证情况

获得 UL 认证（文件编号：E314539），符合相关安全标准。

三、引脚配置与描述

（一）引脚分配

Pin	Name	Description
1	P	正母线输入电压
(2)	N/A	无
3	VS(W) / W	W 相高侧浮动电源偏移电压 / W 相输出
4	VB(W)	W 相高侧浮动电源电压
(5)	N/A	无
6	VS(V) / V	V 相高侧浮动电源偏移电压 / V 相输出
7	VB(V)	V 相高侧浮动电源电压
(8)	N/A	无
9	VS(U) / U	U 相高侧浮动电源偏移电压 / U 相输出
10	VB(U)	U 相高侧浮动电源电压
(11)	N/A	无
12	VDD	低侧控制电源
13	VTH	温度监测
14	COM	低侧控制负电源
15	COM	低侧控制负电源
16	ITRIP	过流保护输入
17	RFE	RCIN / 故障 / 使能
18	HIN(U)	U 相高侧栅极驱动器输入
19	HIN(V)	V 相高侧栅极驱动器输入
20	HIN(W)	W 相高侧栅极驱动器输入
21	LIN(U)	U 相低侧栅极驱动器输入
22	LIN(V)	V 相低侧栅极驱动器输入
23	LIN(W)	W 相低侧栅极驱动器输入
24	N(W)	W 相低侧发射极
25	N(V)	V 相低侧发射极
26	N(U)	U 相低侧发射极

（二）引脚详细描述

• HIN(U, V, W) 和 LIN(U, V, W)：这些引脚为正逻辑，负责控制集成 IGBT。其施密特触发输入阈值确保了与 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，用于在电源启动时预偏置输入，并设有 ESD 二极管进行引脚保护。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。
• (V_{DD}) 和 COM：(V{DD}) 是控制电源，为输入逻辑和输出功率级提供电力。输入逻辑以 COM 为参考地。欠压电路确保在电源电压至少达到典型值 (V{DDUV + } = 10.4V) 时设备才能正常启动。当 (V{DD}) 电源电压低于 (V{Douy. } = 9.4V) 时，IC 会关闭所有栅极驱动器功率输出，防止外部功率开关在导通状态下出现过低的栅极电压，从而避免过度功耗。
• (V{B(U, V, W)}) 和 (V{S(U, V, W)})：(V{B}) 到 (V{s}) 是高侧电源电压。高侧电路可相对于 COM 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 具有较高的负电压耐受性，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桥臂的电流测量。建议将与 COM 引脚的连接尽可能短，以避免不必要的电感电压降。
• VTH：模块中集成了一个 UL 认证的 NTC 热敏电阻，其一个端子连接到 COM，另一个连接到 VTH。当通过电阻上拉到如 (V_{DD}) 或 3.3V 的电源电压时，VTH 引脚提供与热敏电阻温度对应的模拟电压信号。
• RFE：该引脚集成了三种功能：基于 RC 网络的可编程故障清除定时器、故障输出和使能输入。正常工作时，(R{rcin}) 将 RFE 引脚拉至 3.3V，使 IPM 所有功能启用。微控制器可将该引脚拉低以禁用 IPM 功能。当出现 (V{DD}) 欠压或 ITRIP 引脚电压超过 (V{IT, TH +}) 时，IPM 会通过将 RFE 引脚拉低向微控制器报告故障。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。

四、电气参数

（一）绝对最大额定值

• 模块：
  • 工作结温：-40 ~ 150°C
  • 工作壳温：-40 ~ 125°C
  • 储存温度：-40 ~ 125°C
  • 隔离测试电压：2000V（AC RMS，1 分钟，60Hz）
• 逆变器：
  • 阻断电压：600V
  • P - N 直流母线电源电压：450V
  • P - N 直流母线电源电压（浪涌）：500V
  • 输出电流：±6A（(T{C} = 25°C)，(T{J} < 150°C)）
  • 峰值输出电流：±9A（(T{C} = 25°C)，(T{J} < 150°C)，小于 1ms）
  • 每个 IGBT 的功率损耗：18W
  • 短路耐受时间：3μs（(T{J} < 150°C)，(V{DC} = 360V)，(V_{GE} = 15V)）
• 控制：
  • 逻辑电源电压：-0.3 ~ 20V
  • 输入电压：-0.3 ~ 20V
  • 高侧浮动电源电压：-0.3 ~ 20V

（二）热特性

• 单个 IGBT 结 - 壳热阻：典型值 5.8°C/W，最大值 6.8°C/W
• 单个二极管结 - 壳热阻：典型值 6.6°C/W，最大值 7.7°C/W

（三）推荐工作条件

• 正直流母线输入电压：最大 450V
• 低侧控制电源电压：13.5 ~ 16.5V
• 高侧浮动电源电压：12.5 ~ 17.5V
• 输入电压：0 ~ 5V
• PWM 载波频率：典型 20kHz
• COM 和 N 之间的电压（包括浪涌）：-5 ~ 5V
• HIN 和 LIN 之间的外部死区时间：1μs
• 输入脉冲宽度：1μs

（四）静态参数

• 逆变器：
  • 集电极 - 发射极饱和电压：(I{C} = 3A) 时，典型值 1.5V，最大值 1.95V；(I{C} = 3A)，(T_{J} = 150°C) 时，典型值 1.7V。
  • 集电极 - 发射极泄漏电流：(V{IN} = 0V)，(V{CE} = 600V) 时，典型值 10μA，最大值 80μA；(V{IN} = 0V)，(V{CE} = 600V)，(T_{J} = 150°C) 时，典型值 80μA。
  • 二极管正向压降：(I{C} = 3A) 时，典型值 1.5V，最大值 1.95V；(I{C} = 3A)，(T_{J} = 150°C) 时，典型值 1.4V。
• 控制：
  • 逻辑 “1” 输入电压：2.5V
  • 逻辑 “0” 输入电压：最大值 0.8V
  • (V{DD} / V{BS}) 电源欠压正向阈值：9.6 ~ 11.2V
  • (V{DD} / V{BS}) 电源欠压负向阈值：8.6 ~ 10.2V
  • (V{DD} / V{BS}) 电源欠压锁定滞后：1V
  • 静态 (V_{BS}) 电源电流：最大值 150μA
  • 静态 (V_{DD}) 电源电流：最大值 3.2mA
  • 偏移电源泄漏电流：最大值 50μA
  • LIN、HIN 输入偏置电流：(V_{IN} = 3.3V) 时，典型值 825μA，最大值 1110μA
  • RFE 输入偏置电流：(V_{REF} = 3.3V) 时，最大值 1μA
  • ITRIP 输入偏置电流：(V_{ITRIP} = 3.3V) 时，典型值 4μA，最大值 16μA
  • ITRIP 阈值电压：0.44 ~ 0.54V
  • ITRIP 输入滞后：0.07V
  • 自举电阻：典型值 200Ω
  • RFE 低导通电阻：典型值 50Ω，最大值 100Ω

（五）动态参数

• 逆变器：
  • RFE 低电平到六个开关关断传播延迟：典型值 1.35μs，最大值 1.5μs
  • IGBT 关断能量：(V{DC} = 300V)，(I{C} = 3A)，(150°C) 时为 30
  • 反向偏置安全工作区：(T{J} = 150°C)，(I{C} = 12A)，(V{P} = 600V)，(V{DC} = 450V)，(V_{DD} = +15V) 到 (0V) 时为 FULL SQUARE
• 控制：
  • 输入滤波时间（HIN、LIN、ITRIP）：典型值 350ns
  • 输入滤波时间（RFE）：100 ~ 200ns
  • ITRIP 到故障传播延迟：400 ~ 800ns
  • 内部注入死区时间：190 ~ 420ns
  • 所有通道匹配传播延迟时间（开和关）：最大值 50ns

（六）热敏电阻特性

• 25°C 时电阻：44.65 ~ 49.35kΩ
• 125°C 时电阻：1.27 ~ 1.56kΩ
• B 常数：3989 ~ 4111K
• 温度范围：-40 ~ 125°C

五、机械特性和评级

• 热阻（壳 - 散热器）：典型值 0.25°C/W
• 相比漏电起痕指数（CTI）：600V
• 模块背面曲率：最大值 150µm
• 安装扭矩：0.6 ~ 0.8Nm
• 重量：典型值 5.8g

六、应用指南

（一）典型应用原理图

• 输入电路：使用 RC 滤波器（100Ω，1nF）减少输入信号噪声，电容应靠近 CIPOS™ Tiny 放置，尤其是 COM 端子。
• Itrip 电路：为防止保护功能误操作，建议使用 RC 滤波器，电容应靠近 Itrip 和 COM 端子。
• VTH 电路：该端子应通过适当电阻上拉到 5V/3.3V 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，强烈建议添加典型值为 0.1µF 的高频电容。应尽量减少电机和自举电容的图案重叠。
• 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。
• 接地图案：应尽量减少功率地和信号地的图案重叠，图案应仅在分流电阻的公共端连接以实现相同电位。
• COM 图案：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，该电阻对于故障输出报告功能也是必需的。

（二）性能图表

最大运行电流安全工作区（SOA）是基于该产品典型特性的一个示例，实际运行条件可能会有所变化。

（三）(T{j}) 与 (T{th}) 的关系

给出了典型的 (T{j}) 与 (T{th}) 相关性图表，适用于正弦调制，(V{DC} = 300V)，(I{phase} = 5Arms)，(f{sw} = 16kHz)，(f{mod} = 50Hz)，(MI = 0.8)，(PF = 0.6) 的情况。

（四）(-V_{s}) 抗扰度

展示了集成栅极驱动器的负瞬态 (V_{s}) 安全工作区。

七、总结

CIPOS™ Tiny IM393 - S6FP 集成功率模块凭借其丰富的功能、优异的电气性能和良好的热特性，为先进家电电机驱动应用提供了一个可靠且高效的解决方案。在实际设计中，工程师们需要根据具体的应用需求，合理选择工作条件和外围电路参数，以充分发挥该