探索CIPOS™ IKCM15F60GA：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设计的成功至关重要。今天，我们就来深入探讨一下英飞凌的Control Integrated POwer System (CIPOS™) IKCM15F60GA，看看它有哪些独特之处。

文件下载：IKCM15F60GAXKMA1.pdf

一、产品概述

CIPOS™ IKCM15F60GA是一款双列直插式智能功率模块，适用于三相600V / 15A的应用场景。它将多种功率和控制组件集成在一起，旨在提高系统的可靠性，优化PCB尺寸和系统成本。该模块专为控制变速驱动器中的三相交流电机和永磁电机而设计，广泛应用于洗碗机、冰箱、洗衣机、空调、风扇和低功率电机驱动器等领域。

二、产品特性

2.1 先进的技术集成

• TRENCHSTOP™ IGBTs：采用先进的TRENCHSTOP™ IGBT技术，具有出色的电气性能。
• SOI栅极驱动技术：坚固的SOI栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有稳定性，允许高达 -11V的负VS电位用于信号传输（VBS = 15V时）。

  2.2 丰富的保护功能

• 过流保护：具备过流检测功能，当检测到过流时，会关闭所有输出，防止模块损坏。
• 温度监测：集成温度监测功能，可实时监测模块温度，确保系统安全运行。
• 欠压锁定：所有通道都具有欠压锁定功能，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。

  2.3 其他特性

• 集成自举功能：提供集成的自举功能，简化了电路设计。
• 交叉导通防止：防止同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通，确保系统的稳定性。
• 环保设计：采用无铅端子电镀，符合RoHS标准。

三、系统配置

3.1 硬件组成

• 3个半桥：由TRENCHSTOP™ IGBT和反并联二极管组成，用于实现三相桥电路。
• 3Φ SOI栅极驱动器：提供精确的栅极驱动信号，确保IGBT的可靠开关。
• 热敏电阻：用于温度监测，实时反馈模块温度。

  3.2 散热设计

  模块的引脚到散热器的间隙距离典型值为1.6mm，有助于良好的热传导，保证模块在工作过程中的散热性能。

四、引脚配置与说明

4.1 引脚分配

该模块共有24个引脚，每个引脚都有特定的功能，包括高侧和低侧控制引脚、故障输出引脚、过流检测引脚、电源引脚等。具体引脚分配如下：	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
…	…	…
24	NC	无连接

4.2 引脚功能说明

• HIN(U, V, W)和LIN(U, V, W)：低侧和高侧控制引脚，采用正逻辑，负责控制集成IGBT。内部提供约5kΩ的下拉电阻和齐纳钳位，具有输入施密特触发器和噪声滤波器，可有效抑制短输入脉冲噪声。不建议输入脉冲宽度低于1µs，同时集成的栅极驱动具有防直通功能，可避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通。
• VFO：故障输出和温度监测引脚，在VDD引脚欠压或ITRIP引脚触发过流检测时，指示模块故障。需要外部上拉电阻，同时该引脚还可直接访问NTC，通过外部上拉电阻连接到+5V，可将结果电压直接连接到微控制器。
• ITRIP：过流检测功能引脚，通过将ITRIP输入与IGBT集电极电流反馈连接，实现过流检测。比较器阈值典型值为0.47V，输入噪声滤波器可防止误检测过流事件。过流检测后，经过典型1000ns的关断传播延迟，会关闭栅极驱动器的所有输出，故障清除时间至少为40µs。
• VDD和VSS：低侧控制电源和参考引脚，VDD为输入逻辑和输出功率级提供电源，输入逻辑参考VSS接地。当VDD电源电压低于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。
• VB(U, V, W)和VS(U, V, W)：高侧电源引脚，VB到VS为高侧电源电压，高侧电路可跟随外部高侧功率器件发射极电压相对于VSS浮动。由于功耗低，浮动驱动级由集成自举电路供电。欠压检测的上升阈值典型值为12.1V，下降阈值为10.4V，VS(U, V, W)对VSS的负电压具有高达 -50V的瞬态鲁棒性。
• NW, NV, NU：低侧发射极引脚，可用于各相桥臂的电流测量，建议尽量缩短与VSS引脚的连接，以避免不必要的电感电压降。
• W, V, U：电机U、V、W输入引脚。
• P：正母线输入电压引脚，高侧IGBT连接到母线电压，注意母线电压不超过450V。

五、电气参数

5.1 绝对最大额定值

类别	描述	条件	符号	最小值	最大值	单位
模块部分	存储温度范围	-	Tstg	-40	125	°C
	隔离测试电压	RMS, f = 60Hz, t = 1min	VISOL	2000	-	V
	工作外壳温度范围	参考图6	TC	-40	125	°C
逆变器部分	最大阻断电压	IC = 250µA	VCES	600	-	V
	DC链路电源电压（P - N）	施加在P - N之间	VPN	-	450	V
	DC链路电源电压（浪涌）（P - N）	施加在P - N之间	VPN(surge)	-	500	V
	输出电流	TC = 25°C, TJ < 150°C; TC = 80°C, TJ < 150°C	IC	-15 -10	15 10	A
	最大峰值输出电流	小于1ms	IC(peak)	-30	30	A
	短路耐受时间	VDC ≤ 400V, TJ = 150°C	tSC	-	5	µs
	每个IGBT的功率耗散	-	Ptot	-	27.4	W
	工作结温范围	-	TJ	-40	150	°C
	单个IGBT的热阻（结 - 壳）	-	RthJC	-	4.57	K/W
	单个二极管的热阻（结 - 壳）	-	RthJCD	-	4.96	K/W
控制部分	模块电源电压	-	VDD	-1	20	V
	高侧浮动电源电压（VB vs. VS）	-	VBS	-1	20	V
	输入电压	LIN, HIN, ITRIP	VIN VITRIP	-1 -1	10 10	V
	开关频率	-	fPWM	-	20	kHz

5.2 推荐工作条件

描述	符号	最小值	典型值	最大值	单位
DC链路电源电压（P - N）	VPN	0	-	450	V
高侧浮动电源电压（VB vs. VS）	VBS	13.5	-	18.5	V
低侧电源电压	VDD	14.5	16	18.5	V
控制电源变化	ΔVBS, ΔVDD	-1	-	1	V/µs
逻辑输入电压（LIN, HIN, ITRIP）	VIN VITRIP	0	-	5	V
VSS - N之间（包括浪涌）	VSS	-5	-	5	V

5.3 静态参数

静态参数包括集电极 - 发射极饱和电压、二极管正向电压、集电极 - 发射极泄漏电流、逻辑输入电压、ITRIP阈值等，这些参数对于评估模块的性能和稳定性至关重要。例如，集电极 - 发射极饱和电压在IC = 10A、TJ = 25°C时典型值为1.55V，在TJ = 150°C时典型值为1.85V。

5.4 动态参数

动态参数涵盖了开关时间、能量损耗等方面，如导通传播延迟时间、导通上升时间、关断传播延迟时间、反向恢复时间等。这些参数反映了模块在开关过程中的性能，对于设计高效的功率电路非常重要。例如，导通传播延迟时间典型值为560ns，关断传播延迟时间典型值为800ns。

5.5 自举参数

自举参数包括重复峰值反向电压、自举二极管电阻、反向恢复时间和正向电压降等。这些参数对于自举电路的设计和性能评估具有重要意义。

5.6 热敏电阻参数

热敏电阻的电阻值和B常数是温度监测的关键参数。在TNTC = 25°C时，电阻值RNTC为85kΩ，B常数B(25/100)为4092K。不同温度下的电阻值也有详细的表格给出，方便工程师进行温度测量和控制。

六、典型应用电路设计

6.1 输入电路

为了减少高速开关引起的输入信号噪声，应安装RIN和CIN滤波电路（100Ω, 1nF），CIN应尽可能靠近Vss引脚。

6.2 Itrip电路

为防止保护功能出错，CITRIP应尽可能靠近Itrip和Vss引脚。

6.3 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逻辑电源的正端。建议在靠近控制器的位置放置RC滤波器。

6.4 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。

6.5 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。

6.6 分流电阻

应使用SMD类型的分流电阻，以减少其杂散电感。

6.7 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。

七、总结

CIPOS™ IKCM15F60GA是一款功能强大、性能卓越的集成电力系统模块。它具有丰富的保护功能、先进的技术集成和良好的散热设计，适用于多种电机驱动应用。在实际设计中，工程师需要根据具体的应用需求，合理选择模块，并注意引脚配置、电气参数和典型应用电路的设计，以确保系统的可靠性和稳定性。你在使用类似模块的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。