Powerex PS21245 - EP 智能功率模块深度解析

在电子工程领域，功率模块的性能与设计直接影响着整个系统的稳定性和效率。今天我们来深入了解 Powerex 公司的 PS21245 - EP 双列直插式智能功率模块，它在驱动小型三相电机方面表现卓越。

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一、模块概述

PS21245 - EP 属于 Intellimod™ 系列，是一款 20 安培 / 600 伏特的双列直插式智能功率模块。它将功率器件、驱动器和保护电路集成在超紧凑的双列直插式传输模塑封装中，采用了第四代 IGBTs、DIP 封装和特定应用的 HVICs，有助于设计师减小逆变器尺寸并缩短整体设计时间。

二、尺寸规格

该模块的尺寸有英制和公制两种标注，详细如下：	Dimensions	Inches	Millimeters
A	3.07±0.02	79.0±0.5
B	1.22±0.02	31.0±0.5
C	0.32±0.02	8.0±0.5
D	2.64±0.01	67.0±0.3
E		0.53±0.01 Dia. 13.4±0.2 Dia.
F	0.84±0.02	21.4±0.5
G	1.10±0.02	28.0±0.5
H	0.15±0.01	3.8±0.2
J	0.11±0.01	2.8±0.3
K	0.39±0.01	10.0±0.3
L	0.79±0.01	20.0±0.3
M	0.50±0.04	12.8±1.0
N	2.98	75.6
P	0.02±0.01	0.5±0.2
Q	0.18±0.01 Dia. 4.5±0.2 Dia.
R	0.02 Max.	0.5 Max.
S	0.08	2.0
T	0.03±0.002	0.6±0.05
U	0.1	2.5
V	0.03±0.01	0.8±0.2
W	0.07	1.75 Max.
X	0.4±0.01	1.0±0.2

在实际设计中，工程师需要根据这些精确的尺寸来规划电路板布局，确保模块能够与其他元件合理搭配。大家在设计时有没有遇到过因为尺寸问题导致的布局难题呢？

三、特性与应用

特性

• 紧凑封装：节省电路板空间，适合小型设备设计。
• 单电源供电：简化电源设计，降低成本。
• 集成 HVICs：提高模块的集成度和性能。
• 可直接连接 CPU：方便与控制系统集成。

应用

该模块广泛应用于多种家电和小型电机控制领域，如洗衣机、冰箱、空调、小型伺服电机以及小型电机控制等。这些应用场景对功率模块的稳定性和效率要求很高，PS21245 - EP 正好能够满足这些需求。大家在实际项目中，有没有使用过类似的功率模块呢？效果如何？

四、绝对最大额定值

在使用该模块时，必须严格遵守其绝对最大额定值，以确保模块的安全运行。	Characteristics	Symbol	PS21245 - EP	Units
功率器件结温	Tj	-20 至 150	°C
存储温度	Tstg	-40 至 125	°C
外壳工作温度	TC	-20 至 100	°C
M4 安装螺丝扭矩		13	in - lb
模块重量（典型值）		54	Grams
散热器平整度		-50 至 100	µm
自保护电源电压限制	VCC(prot.)	400	Volts
隔离电压（交流 1 分钟，60Hz 正弦波，连接引脚到散热板）	VISO	2500	Volts

这里需要注意的是，功率芯片的最大结温额定值为 150°C，但为确保安全运行，平均结温应限制在 (T_{j(avg)} ≤125^{circ} C)。大家在设计散热系统时，是否充分考虑了这些温度限制呢？

五、电气和机械特性

IGBT 逆变器部分

Characteristics	Symbol	Test Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
集电极截止电流	ICES	VCE = VCES, Tj = 25°C	—	—	1.0	mA
		VCE = VCES, Tj = 125°C	—	—	10	mA
二极管正向电压	VEC	Tj = 25°C, -IC = 20A, VCIN = 5V	—	2.2	3.0	Volts
集电极 - 发射极饱和电压	VCE(sat)	IC = 20A, Tj = 25°C, VD = VDB = 15V, VCIN = 0V	—	1.55	2.15	Volts
		IC = 20A, Tj = 125°C, VD = VDB = 15V, VCIN = 0V	—	1.65	2.25	Volts
电感负载开关时间	ton	VCC = 300V, VD = 15V	0.1	0.8	1.3	µS
	trr	IC = 20A, Tj = 125°C, VCIN = 5V(off), 0V(on)	—	0.1	—	µS
	tC(on)	电感负载（上下臂）	—	0.5	0.9	µS
	toff		—	1.5	2.7	µS
	tC(off)	内部控制电路的延迟时间	—	1.0	1.9	µS

控制部分

Characteristics	Symbol	Test Conditions	Min.	Typ.	Max.	Units
电源电压	VD	施加在 VP1 - VPC, VN1 - VNC 之间	13.5	15.0	16.5	Volts
	VDB	施加在 VUFB - VUFS, VVFB - VVFS, VWFB - VVFS 之间	13.5	15.0	16.5	Volts
电路电流	ID	VD = 15V, VCIN = 5V, VDB = 15V, VP1 - VPC, VN1 - VNC 总和	—	4.25	8.50	mA
		VD = 15V, VCIN = 5V, VDB = 15V, VUFB - VUFS, VVFB - VVFS, VWFB - VVFS	—	0.50	1.00	mA
故障输出电压	VFOH	VSC = 0V, FO 电路：10kΩ 上拉至 5V	4.9	—	—	Volts
	VFOL	VSC = 1V, FO 电路：10kΩ 上拉至 5V	0.8	—	1.2	Volts
	VFO(sat)	VSC = 1V, IFO = 15mA		1.2	1.8	Volts
PWM 输入频率	fPWM	TC ≤ 100°C, Tj ≤ 125°C	—	15	—	kHz
允许死区时间	tDEAD	与相应输入信号相关，防止臂直通（-20°C ≤ TC ≤ 100°C）	2.5	—	—	µS
短路跳闸电平	VSC(ref)	Tj = 25°C, VD = 15V	0.45	0.5	0.55	Volts
电源电路欠压	UVDBt	跳闸电平，Tj ≤ 125°C	10.0	—	12.0	Volts
	UVDBr	复位电平，Tj ≤ 125°C	10.5	—	12.5	Volts
	UVDt	跳闸电平，Tj ≤ 125°C	10.3	—	12.5	Volts
	UVDr	复位电平，Tj ≤ 125°C	10.8	—	13.0	Volts
故障输出脉冲宽度	tFO	CFO = 22nF	1.0	1.8	—	mS
导通阈值电压（H 侧）	Vth(on)	施加在 UP, VP, WP - VPC 之间	0.8	1.4	2.0	Volts
关断阈值电压（H 侧）	Vth(off)	UP, VP, WP - VPC	2.5	3.0	4.0	Volts
导通阈值电压（L 侧）	Vth(on)	施加在 UN, VN, WN - VNC 之间	0.8	1.4	2.0	Volts
关断阈值电压（L 侧）	Vth(off)	UN, VN, WN - VNC	2.5	3.0	4.0	Volts

这些电气特性是工程师在设计电路时必须考虑的关键因素，大家在实际测试中，是否遇到过与这些特性相关的问题呢？

六、热特性

Characteristic	Symbol	Condition	Min.	Typ.	Max.	Units
结到外壳热阻	Rth(j - c)Q	每个 IGBT	—	—	2.2	°C/Watt
	Rth(j - c)D	每个 FWDi	—	—	4.5	°C/Watt
接触热阻	Rth(c - f)	模块外壳到散热片	—	—	0.067	°C/Watt
		涂抹导热膏

热特性对于功率模块的长期稳定运行至关重要，合理的散热设计可以有效降低模块的温度，提高其可靠性。在设计散热系统时，大家通常会采用哪些方法呢？

七、推荐使用条件

Characteristic	Symbol	Condition	Min.	Typ.	Value	Units
电源电压	VCC	施加在 P - N 端子之间	0	300	400	Volts
控制电源电压	VD	施加在 VP1 - VPC, VN1 - VNC 之间	13.5	15.0	16.5	Volts
	VDB	施加在 VUFB - VUFS, VVFB - VVFS, VWFB - VVFS 之间	13.5	15.0	16.5	Volts
控制电源 dv/dt	dVD/dt, dVDB/dt		-1	—	1	V/µs
输入导通电压	VCIN(on)	施加在 UP, VP, WP - VPC 之间			0 ~ 0.65	Volts
输入关断电压	VCIN(off)	施加在 UN, VN, WN - VNC 之间			4.0 ~ 5.5	Volts
PWM 输入频率	fPWM	TC ≤ 100°C, Tj ≤ 125°C	—	5	—	kHz
臂直通阻断时间	tDEAD	每个输入信号	2.5	—	—	µS

遵循这些推荐使用条件，可以确保模块在最佳状态下工作，提高系统的稳定性和可靠性。大家在实际应用中，是否严格按照这些条件来使用模块呢？

八、元件选择

Dsgn._	Typ.Value	Description
D1	1A, 600V	自举电源二极管 - 超快速恢复
C1	10 - 100uF, 50V	自举电源储能电容 - 电解电容，长寿命，低阻抗，105°C
C2	0.22 - 2.0uF, 50V	局部去耦 / 高频噪声滤波器 - 多层陶瓷电容
C3	1 - 100uF, 50V	控制电源滤波电容 - 电解电容，长寿命，低阻抗，105°C
C4	22nF, 50V	故障锁定定时电容 - 多层陶瓷电容
C6	100 - 1000pF, 50V	输入信号噪声滤波器 - 多层陶瓷电容
C6	200 - 2000uF, 450V	主直流母线滤波电容 - 电解电容，长寿命，高纹波电流，105°C
C7	0.1 - 0.22uF, 450V	浪涌电压抑制电容 - 聚酯 / 聚丙烯薄膜电容
CSF	1000pF, 50V	短路检测滤波电容 - 多层陶瓷电容
RSF	1.8k ohm	短路检测滤波电阻
RSHUNT	5 - 100 mohm	电流传感电阻 - 无感，温度稳定，高精度
R1	1 - 100 ohm	自举电源浪涌限制电阻
R2	4.7k ohm	控制输入上拉电阻
R3	5.1k ohm	故障输出信号上拉电阻

正确选择这些元件对于模块的性能和稳定性至关重要，大家在元件选型时，会考虑哪些因素呢？

综上所述，Powerex PS21245 - EP 智能功率模块在小型三相电机驱动领域具有很大的优势。通过对其尺寸、特性、电气参数、热特性等方面的了解，工程师可以更好地进行电路设计和系统集成。在实际应用中，大家还可以根据具体需求对模块进行进一步的优化和调整，以实现最佳的性能和可靠性。希望本文对大家在使用该模块时有所帮助，你在使用过程中还有哪些疑问或者经验可以分享呢？