探索CIPOS™ IKCM20L60HA：集成电力系统的卓越之选

在电子工程师的日常工作中，选择合适的功率模块对于系统的性能和可靠性至关重要。今天，我们就来深入探讨英飞凌的Control Integrated POwer System (CIPOS™) IKCM20L60HA，看看它究竟有哪些独特之处。

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产品概述

CIPOS™ IKCM20L60HA是一款双列直插式智能功率模块，采用3Φ -桥结构，额定电压600V，额定电流20A。它集成了多种功率和控制组件，为三相交流电机和永磁电机的变速驱动应用提供了可靠的解决方案。

产品特性

• 完全隔离的双列直插式封装：采用TRENCHSTOP™ IGBTs，具备出色的电气性能。
• 坚固的SOI栅极驱动技术：对瞬态和负电压具有稳定性，允许在(VBS = 15V)时，VS负电位可达 -11V进行信号传输。
• 集成自举功能：简化了电路设计，提高了系统的可靠性。
• 过流保护：当检测到过流时，所有6个开关会关闭，确保系统安全。
• 欠压锁定：在所有通道上提供欠压保护，防止因电压过低导致的故障。
• 低侧发射极引脚：可用于监测各相电流，方便进行故障诊断。
• 防交叉导通：避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通，提高系统的稳定性。
• 无铅端子电镀：符合RoHS标准，环保可靠。

目标应用

该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、风扇和低功率电机驱动器等。

系统配置

CIPOS™ IKCM20L60HA的系统配置包括3个半桥，每个半桥由TRENCHSTOP™ IGBTs和反并联二极管组成，以及一个3Φ SOI栅极驱动器。模块的引脚与散热器之间的间隙距离典型值为1.6mm，有助于散热和电气隔离。

引脚配置与说明

引脚配置

模块共有24个引脚，具体引脚名称和功能如下表所示：	Pin Number	Pin Name	Pin Description
1	VS(U)	U相高侧浮动IC电源偏移电压
2	VB(U)	U相高侧浮动IC电源电压
3	VS(V)	V相高侧浮动IC电源偏移电压
4	VB(V)	V相高侧浮动IC电源电压
5	VS(W)	W相高侧浮动IC电源偏移电压
6	VB(W)	W相高侧浮动IC电源电压
7	HIN(U)	U相高侧栅极驱动器输入
8	HIN(V)	V相高侧栅极驱动器输入
9	HIN(W)	W相高侧栅极驱动器输入
10	LIN(U)	U相低侧栅极驱动器输入
11	LIN(V)	V相低侧栅极驱动器输入
12	LIN(W)	W相低侧栅极驱动器输入
13	VDD	低侧控制电源
14	VFO	故障输出
15	ITRIP	过流检测输入
16	VSS	低侧控制负电源
17	NW	W相低侧发射极
18	NV	V相低侧发射极
19	NU	U相低侧发射极
20	W	电机W相输出
21	V	电机V相输出
22	U	电机U相输出
23	P	正母线输入电压
24	NC	无连接

引脚详细说明

• 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，用于控制集成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，并设有齐纳钳位保护引脚。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，以确保正常工作。此外，集成栅极驱动器还提供了防直通功能，避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通，并插入典型值为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，引脚14）：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。外部需要一个上拉电阻。
• ITRIP（过流检测功能，引脚15）：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）以VSS地为参考，输入噪声滤波器（典型值(t_{ITRIPMIN } = 530ns)）可防止驱动器检测到误过流事件。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闭，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电源。输入逻辑以VSS地为参考。欠压电路在电源电压至少达到典型值(V{DDUV+}=12.1V)时，使设备能够正常工作。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过低的栅极电压，从而避免过度功耗。
• 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的瞬态鲁棒性，确保在恶劣条件下也能实现稳定设计。
• NW, NV, NU（低侧发射极，引脚17 - 19）：低侧发射极可用于测量各相桥臂的电流。建议将与VSS引脚的连接尽可能短，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，注意母线电压不得超过450V。

电气参数

绝对最大额定值

• 模块部分：存储温度范围为 -40°C至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至125°C。
• 逆变器部分：最大阻断电压为600V，P - N直流母线电源电压为 - 至450V，P - N直流母线电源电压（浪涌）为 - 至500V，输出电流在(T_C = 25°C)、(T_J < 150°C)时为 -20A至20A，在(T_C = 80°C)、(TJ < 150°C)时为 -15A至15A，最大峰值输出电流为 -40A至40A，短路耐受时间在(V{DC} ≤ 400V)、(T_J = 150°C)时为5µs，每个IGBT的功率耗散为 - 至29.2W，工作结温范围为 -40°C至150°C，单个IGBT的结 - 壳热阻为 - 至4.28K/W，单个二极管的结 - 壳热阻为 - 至4.87K/W。
• 控制部分：模块电源电压为 -1V至20V，高侧浮动电源电压（VB vs. VS）为 -1V至20V，输入电压（LIN, HIN, ITRIP）为 -1V至10V，开关频率为 - 至20kHz。允许的短路次数小于1000次，短路间隔时间大于1s。

推荐工作条件

Description	Symbol	Value			Unit
min	typ	max
DC link supply voltage of P - N	V PN	0	-	400	V
High side floating supply voltage (V B vs. V S )	V BS	13.5	-	18.5	V
Low side supply voltage	V DD	14.5	16	18.5	V
Control supply variation	ΔV BS, ΔV DD	-1 -1	- -	1 1	V/µs
Logic input voltages LIN, HIN, ITRIP	V IN V ITRIP	0 0	- -	5 5	V
Between VSS - N (including surge)	V SS	-5	-	5	V

静态参数

在(V_{DD}=15V)和(T_J = 25°C)（除非另有说明）的条件下，包括集电极 - 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输入迟滞、VDD和VBS电源欠压正向和负向阈值、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。

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，包含开通传播延迟时间、开通上升时间、开通开关时间、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、ITRIP输入滤波时间、LIN和HIN的输入滤波时间、ITRIP故障后的故障清除时间、低侧和高侧之间的死区时间、栅极驱动电路的死区时间、IGBT开通能量、IGBT关断能量和二极管恢复能量等参数。

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。

机械特性与额定值

• 安装扭矩：使用M3螺丝和垫圈时，安装扭矩为0.59至0.78Nm。
• 平面度：参考特定图形，平面度范围为 -50至100µm。
• 重量：约为6.15g。

典型应用电路设计要点

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。

Itrip电路

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

VFO电路

VFO输出为开漏输出，该信号线应通过适当的电阻(Rpu)上拉到5V/3.3V逻辑电源的正极。建议在靠近控制器的位置放置RC滤波器。

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。

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。

分流电阻

建议使用SMD类型的分流电阻，以减少其杂散电感。

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。

总结

CIPOS™ IKCM20L60HA集成电力系统模块以其丰富的特性、出色的电气性能和合理的引脚配置，为工程师在设计三相交流电机和永磁电机变速驱动系统时提供了一个可靠且高效的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理选择工作条件，并注意典型应用电路的设计要点，以充分发挥该模块的优势。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。