探索CIPOS™ Tiny IM393 - M6E：高效集成电源模块的技术剖析

在电子工程师的日常工作中，为各类应用寻找合适的电源模块是一项关键任务。今天，我们将深入探讨英飞凌的CIPOS™ Tiny IM393 - M6E，这是一款专为先进家电电机驱动应用设计的集成电源混合IC。

文件下载：IM393M6E3XKLA1.pdf

1. 产品概述

1.1 产品定位与优势

IM393 - M6E是一款10A、600V的集成电源混合IC，适用于节能风扇和泵等先进家电电机驱动应用。英飞凌的这项技术将高性能的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。它结合了最新的低VCE(on)沟槽IGBT技术和行业领先的三相高压、高速驱动器，在传导损耗和开关损耗之间实现了最佳平衡。

1.2 主要特性

• 集成功能：集成了栅极驱动器和自举功能，还有温度监测和保护关断引脚。
• 先进技术：采用低VCE(on)沟槽IGBT技术，所有通道具备欠压锁定和匹配的传播延迟。
• 输入逻辑：3.3V施密特触发输入逻辑，具备防交叉导通逻辑。
• 隔离与认证：最小隔离电压2000VRMs，CTI > 600，通过UL认证（文件编号：E314539）。

1.3 潜在应用

该模块广泛应用于洗衣机、空调、冰箱、风扇、洗碗机和低功率电机驱动器等领域。

2. 技术细节剖析

2.1 内部电气原理图

内部电气原理图展示了模块内部的电路连接和工作原理，为工程师理解模块的工作机制提供了基础。

2.2 引脚配置

2.2.1 引脚分配

引脚	名称	描述
1	P	正母线输入电压
3	VS(W)	W相高端浮动电源偏移电压
4	VB(W)	W相高端浮动电源电压
……	……	……

2.2.2 引脚描述

• HIN(U, V, W)和LIN(U, V, W)：负责控制集成IGBT，具备施密特触发输入阈值，保证与3.3V控制器输出兼容，内部提供下拉电阻和ESD保护二极管，还有输入滤波器和防直通功能。
• VDD和COM：VDD是控制电源，为输入逻辑和输出功率级供电，欠压电路确保在特定电压下正常工作，低于特定电压时关闭所有栅极驱动器功率输出。
• VB(U, V, W)和VS(U, V, W)：VB - VS是高端电源电压，高端电路可随外部高端功率器件发射极电压浮动，由集成自举电路供电，具备欠压检测功能，VS对COM具有高负电压耐受性。
• N(U, V, W)：用于各相电流测量，建议连接COM引脚的线路尽可能短，以避免不必要的电感电压降。
• VTH：集成了UL认证的NTC热敏电阻，通过上拉电阻提供对应温度的模拟电压信号。
• RFE：集RCIN、故障输出和使能输入三种功能于一体，通过连接RC网络实现可编程故障清除定时器功能，还可向微控制器报告故障情况。
• U, V, W：电机U、V、W输入引脚。
• P：正母线输入电压，注意母线电压不超过450V。

2.3 绝对最大额定值

类别	参数	符号	条件	值	单位
模块	工作结温	TJ	IGBT、二极管、HVIC	-40 ~ 150	°C
模块	工作壳温	TC		-40 ~ 125	°C
模块	存储温度	TSTG		-40 ~ 125	°C
模块	隔离测试电压	VISO	AC RMS，1分钟，60Hz	2000	V
逆变器	阻断电压	VCES	IGBT、二极管、HVIC	600	V
逆变器	DC - 母线供电电压	VPN	P和N之间	450	V
逆变器	DC - 母线供电电压（浪涌）	VPN(surge)	P和N之间	500	V
逆变器	输出电流	IO	TC = 25°C，TJ < 150°C	±10	A
逆变器	峰值输出电流	IO(peak)	TC = 25°C，TJ < 150°C，小于1ms	±15	A
逆变器	每个IGBT的功率损耗	Ptot		20	W
逆变器	短路耐受时间	TSC	TJ < 150°C，VDC = 360V，VGE = 15V	3	μs
控制	逻辑电源电压	VDD		-0.3 ~ 20	V
控制	输入电压	VIN	LIN、HIN、ITRIP、RFE	-0.3 ~ 20	V
控制	高端浮动电源电压	VBS(U,V,W)		-0.3 ~ 20	V

2.4 热特性

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
单个IGBT热阻（结 - 壳）	RTH(J - C)	低侧W相IGBT	-	5.3	6.1	°C/W
单个二极管热阻（结 - 壳）	RTH(J - C)D	低侧W相二极管	-	6.6	7.7	°C/W

2.5 推荐工作条件

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
正直流母线输入电压	VDC		-	-	450	V
低侧控制电源电压	VDD		13.5	15	16.5	V
高端浮动电源电压	VBS		12.5	15	17.5	V
输入电压	VIN	LIN、HIN、ITRIP、RFE	0	-	5	V
PWM载波频率	FPWM		-	20	-	kHz
COM和N之间的电压（包括浪涌）	VCOM		-5	-	5	V
HIN和LIN之间的外部死区时间	DT		1	-	-	μs
输入脉冲宽度	PW IN(ON) PW IN(OFF)		1	-	-	μs

2.6 静态参数

2.6.1 逆变器

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
集电极 - 发射极饱和电压	VCE(ON)	IC = 5A	-	1.5	1.9	V
集电极 - 发射极饱和电压	VCE(ON)	IC = 5A，T = 150°C	-	1.7	-	V
集电极 - 发射极泄漏电流	ICES	VIN = 0V，VCE = 600V	-	10	80	μA
集电极 - 发射极泄漏电流	ICES	VIN = 0V，VCE = 600V，TJ = 150°C	-	80	-	μA
二极管正向电压降	VF	IC = 5A	-	1.7	2.2	V
二极管正向电压降	VF	IC = 5A，TJ = 150°C	-	1.6	-	V

2.6.2 控制

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
逻辑“1”输入电压	VIN,TH+	LIN、HIN、RFE	2.5	-	-	V
逻辑“0”输入电压	VIN,TH-	LIN、HIN、RFE	-	-	0.8	V
VDD / VBS电源欠压，正向阈值	VDD,UV+ , VBS,UV+		9.6	10.4	11.2	V
VDD / VBS电源欠压，负向阈值	VDD,UV- , VBS,UV-		8.6	9.4	10.2	V
VDD / VBS电源欠压锁定滞后	VDDUVH , VBSUVH		-	1	-	V
静态VBS电源电流	IQBS		-	-	150	μA
静态VDD电源电流	IQDD		-	-	3.2	mA
偏移电源泄漏电流	ILK	VS = 600V	-	-	50	μA
LIN、HIN输入偏置电流	IIN+	VIN = 3.3V	-	825	1110	μA
RFE输入偏置电流	IIN,RFE+	VREF = 3.3V	-	0	1	μA
ITRIP输入偏置电流	ITRIP+	VITRIP = 3.3V	-	4	16	μA
ITRIP阈值电压	VITRIP		0.44	0.49	0.54	V
ITRIP输入滞后	VITRIP,HYS		-	0.07	-	V
自举电阻	RBS		-	200	-	Ω
RFE低导通电阻	RRFE		-	50	100	Ω

2.7 动态参数

2.7.1 逆变器

参数	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入到输出导通传播延迟	IC = 5A，VDC = 300V				μs
输入到输出关断传播延迟	IC = 5A，VDC = 300V				μs
RFE低电平到六个开关关断传播延迟				1.35	μs
ITRIP到六个开关关断传播延迟	IC = 5A，VDC = 300V			1.5	μs
IGBT导通能量	VDC = 300V，IC = 5A，TJ = 25°C、150°C		170		μJ
IGBT关断能量	VDC = 300V，IC = 5A，TJ = 25°C、150°C		70、110		μJ
二极管反向恢复能量	VDC = 300V，IC = 5A，TJ = 25°C、150°C		40		μJ
反向偏置安全工作区	TJ = 150°C，IC = 20A，VP = 600V，VDC = 450V，VDD = +15V到0V

2.7.2 控制

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
输入滤波器时间（HIN、LIN、ITRIP）	TFILIN	VIN = 0或VIN = 5V		350		ns
输入滤波器时间（RFE）	TFILRFE	VRFE = 0或VRF = 5V	100	200		ns
ITRIP到故障传播延迟	TFLT	VIN = 0或VIN = 5V，VITRIP = 5V		600	800	ns
内部注入死区时间	TDT	VIN = 0或VIN = 5V	190		420	ns
所有通道匹配传播延迟时间（导通和关断）	MT	外部死区时间 > 420ns			50	ns

2.8 热敏电阻特性

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
电阻	R25	T = 25°C，±5%公差	44.65	47	49.35	kΩ
电阻	R125	T = 125°C	1.27	1.41	1.56	kΩ
B常数	B	25 - 50°C，R2 = R1e [B(1/T2 - 1/T1)]	3989	4050	4111	K
温度范围			-40	-	125	°C

2.9 机械特性和额定值

参数	符号	条件	最小值	典型值	最大值	单位
热阻（壳 - 散热器）	RTH(C - S)	平整、涂有导热膏的表面，散热器化合物导热系数1W/mK	-	0.25	-	°C/W
相对漏电起痕指数	CTI		600	-	-	V
模块背面曲率	BKC		0	-	150	µm
安装扭矩	T	M3螺丝和垫圈	0.6	0.7	0.8	Nm
重量	W		-	6.0	-	g

3. 应用指南

3.1 典型应用原理图

• 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：建议使用RC滤波器防止保护功能误操作，电容器应靠近Itrip和COM端子。
• VTH电路：通过适当电阻将该端子上拉到5V/3.3V偏置电压，用于温度监测，建议在控制器附近放置RC滤波器。
• VB - VS电路：高端浮动电源电压的电容器应靠近VB和VS端子放置，建议添加0.1µF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：应最小化功率接地和信号接地的图案重叠，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：根据图5设置R和C参数以确定故障清除时间，该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。

3.2 性能图表

最大工作电流SOA图是基于产品典型特性的示例，实际工作条件可能会导致其发生变化。

3.3 Tj vs. Tth

展示了典型的Tj与Tth相关性，有助于工程师了解温度变化情况。

3.4 -Vs免疫

负瞬态Vs SOA图展示了集成栅极驱动器的相关性能。

4. 封装信息

提供了IM393 - M6E、IM393 - M6E2和IM393 - M6E3的封装轮廓图，同时标注了缺失引脚和尺寸公差。

5. 总结

CIPOS™ Tiny IM