探索STGIPQ8C60T-HZ：高效能3相逆变器IPM的卓越特性与应用

在电子工程领域，功率模块的性能和可靠性对各类应用的成败起着关键作用。今天，我们将深入探讨意法半导体（ST）推出的STGIPQ8C60T-HZ，这是一款属于SLLIMM nano（第二代）系列的智能功率模块（IPM），专为三相逆变器应用设计，具备诸多令人瞩目的特性。

文件下载：STEVAL-IPMNG8Q.pdf

产品概述

STGIPQ8C60T-HZ的额定电流为8 A，耐压600 V，采用N2DIP - 26L type Z封装，以管装形式提供。它集成了三相IGBT逆变器桥、3个用于栅极驱动的控制IC以及续流二极管，为交流电机驱动提供了紧凑且高性能的解决方案。

产品特性

• 多电压兼容输入：具备3.3 V、5 V、15 V TTL/CMOS输入比较器，带有迟滞和下拉/上拉电阻，增强了输入信号的稳定性和兼容性。
• 内部自举二极管：简化了电路设计，有助于实现高效的栅极驱动。
• 低电磁干扰优化：通过优化开关速度，有效降低了电磁干扰（EMI），提高了系统的电磁兼容性。
• 欠压锁定功能：当电源电压低于设定阈值时，自动锁定模块，保护器件免受损坏。
• 短路耐受IGBT：采用短路耐受的TFS IGBT，能够在短路情况下保持稳定，提高了系统的可靠性。
• 多种保护功能：具备关机功能、互锁功能、用于高级电流感测的运算放大器以及用于过流故障保护的比较器，全方位保障系统安全。
• 高隔离等级：隔离额定值为1800 Vrms/min，符合UL 1557标准（文件编号E81734），确保了电气隔离的安全性。
• NTC热敏电阻：内置NTC（UL 1434 CA 2和4），可用于温度监测和保护。

应用领域

该模块适用于多种三相电机控制应用，包括三相感应电机（ACIM）、洗碗机、风扇、永磁同步电机（PMSM）/无刷直流电机（BLDC）控制以及洗衣机等。

内部结构与引脚配置

内部原理图

STGIPQ8C60T-HZ的内部集成了六个改进的短路耐受沟槽栅场截止IGBT和三个半桥高压集成电路（HVIC），用于栅极驱动。这种设计不仅提供了低EMI特性，还优化了开关速度。

引脚描述

Pin	Symbol	Description
1	GND	接地
2	T/SD/ OD	NTC热敏电阻端子/关机逻辑输入（低电平有效）/开漏（比较器输出）
3	V CC W	W相低压电源
4	HIN W	W相高端逻辑输入
5	LIN W	W相低端逻辑输入
6	OP+	运算放大器同相输入
7	OP OUT	运算放大器输出
8	OP-	运算放大器反相输入
9	V CC V	V相低压电源
10	HIN V	V相高端逻辑输入
11	LIN V	V相低端逻辑输入
12	CIN	比较器输入
13	V CC U	U相低压电源
14	HIN U	U相高端逻辑输入
15	T/SD/ OD	NTC热敏电阻端子/关机逻辑输入（低电平有效）/开漏（比较器输出）
16	LIN U	U相低端逻辑输入
17	V boot U	U相自举电压
18	P	正直流输入
19	U, OUT U	U相输出
20	N U	U相负直流输入
21	V boot V	V相自举电压
22	V, OUT V	V相输出
23	N V	V相负直流输入
24	V boot W	W相自举电压
25	W, OUT W	W相输出
26	N W	W相负直流输入

电气特性

绝对最大额定值

• 逆变器部分：每个IGBT的集电极 - 发射极电压（VCES）为600 V，连续集电极电流（IC）为8 A（TC = 25 °C），峰值集电极电流（ICP(1)）为16 A（小于1 ms），总功率耗散（PTOT）为19.2 W（TC = 25 °C），短路耐受时间（tSCW）为5 μs（VCE = 300 V，TJ = 125 °C，VCC = Vboot = 15 V，VIN(2) = 0 to 5 V）。
• 控制部分：低压电源（V CC）范围为 - 0.3至21 V，自举电压（V boot）范围为 - 0.3至620 V，输出电压（V OUT）范围为V boot - 21至V boot + 0.3 V，比较器输入电压（V CIN）范围为 - 0.3至V CC + 0.3 V，运算放大器同相输入（V op+）和反相输入（V op-）范围为 - 0.3至V CC + 0.3 V，逻辑输入电压（V IN）范围为 - 0.3至15 V，开漏电压（V T/SD/OD）范围为 - 0.3至15 V，允许的输出压摆率（dV out /dt）最大为50 V/ns。
• 总系统：隔离耐受电压（V ISO）为1800 V rms（交流电压，t = 60 s），功率芯片工作结温（T J）范围为 - 40至150 °C，工作外壳温度范围（T C）为 - 40至125 °C。

热数据

单个IGBT的结 - 壳热阻（R thJC）为6.5 °C/W，单个二极管的结 - 壳热阻为10 °C/W。

电气特性曲线

文档中提供了多种电气特性曲线，包括输出特性、二极管正向电压与正向电流关系、开关能量与集电极电流关系等，这些曲线有助于工程师更深入地了解模块的性能。

控制部分特性

低压电源特性

包括V CC欠压迟滞（V CC_hys）、V CC欠压开启阈值（V CC_thON）、V CC欠压关闭阈值（V CC_thOFF）、欠压静态电源电流（I qccu）、静态电流（I qcc）以及内部比较器（CIN）参考电压（V ref）等参数。

自举电压特性

涵盖V BS欠压迟滞（V BS_hys）、V BS欠压开启阈值（V BS_thON）、V BS欠压关闭阈值（V BS_thOFF）、欠压V BS静态电流（I QBSU）、V BS静态电流（I QBS）以及自举驱动器导通电阻（R DS(on)）等。

逻辑输入特性

包括低逻辑电平电压（Vil）、高逻辑电平电压（Vin）、HIN和LIN逻辑“1”和“0”输入偏置电流、SD逻辑“0”和“1”输入偏置电流以及死区时间（Dt）等。

运算放大器特性

包含输入失调电压（V io）、输入失调电流（I io）、输入偏置电流（I ib）、低电平输出电压（V OL）、高电平输出电压（V OH）、输出短路电流（I o）、压摆率（SR）、增益带宽积（GBWP）、大信号电压增益（A vd）、电源电压抑制比（SVR）和共模抑制比（CMRR）等。

感测比较器特性

涉及输入偏置电流（I ib）、开漏低电平输出电压（V od）、开漏低电平输出电阻（R ON_OD）、SD下拉电阻（R PD_SD）、比较器延迟（t d_comp）、压摆率（SR）、关机到高低侧驱动器传播延迟（t sd）以及比较器触发到高低侧驱动器关断传播延迟（t isd）等。

真值表

详细列出了不同条件下逻辑输入与输出的对应关系，为电路设计提供了明确的逻辑依据。

关机功能

该模块配备了三个半桥IC栅极驱动器，并集成了一个用于故障检测的比较器。比较器的内部电压参考（VREF）连接到反相输入，非反相输入引脚（CIN）可连接到外部分流电阻用于电流监测。在发生故障时，U相输出直接禁用，而V相和W相IC栅极驱动器的关机取决于外部SD电路的RC值。设计关机电路时，可参考应用笔记AN4966。

应用电路示例与设计指南

应用电路示例

文档提供了一个应用电路示例，不过应用设计师可根据设备规格自由选择不同的方案。

设计指南

• 输入信号处理：输入信号HIN、LIN为高电平有效逻辑，每个输入内置375 kΩ（典型值）下拉电阻。为避免输入信号振荡，输入布线应尽可能短，并建议在每个输入信号上使用RC滤波器（R1, C1），时间常数约为100 ns，且靠近IPM输入引脚放置。
• 电源滤波：使用旁路电容C vcc（铝或钽电容）可减少电源的瞬态电路需求，同时在V CC引脚附近并联一个去耦电容C 2（100至220 nF，低ESR和低ESL），以减少电源线上的高频开关噪声。
• 保护电路：建议使用RC滤波器（R SF, C SF）防止保护电路误动作，时间常数（R SF × C SF）应设置为1 μs，且靠近C IN引脚放置。
• SD引脚处理：SD是一个输入/输出引脚（用作输出时为开漏类型），内置热敏电阻NTC连接在SD引脚和GND之间。为保持电压始终高于高电平逻辑阈值，对于3.3 V或5 V的MCU电源，上拉电阻应分别设置为1 kΩ或2.2 kΩ。SD滤波器的电容C SD应固定不高于3.3 nF，以确保SD激活时间τ T A ≤ 500 ns，且滤波器应靠近SD引脚放置。
• 自举电容：在每个C boot旁边并联一个去耦电容C 3（100至220 nF，陶瓷，低ESR和低ESL），用于过滤高频干扰。C boot和C 3应尽可能靠近U、V、W和V boot引脚放置，自举负极应直接连接到U、V、W端子，并与主输出线分开。
• 过压保护：为避免V CC引脚过压，可使用齐纳二极管（Dz1）；在V boot引脚，可在每个C boot旁边并联一个齐纳二极管（Dz2）。
• 浪涌保护：在电解电容C vdc旁边并联一个去耦电容C 4（100至220 nF，低ESR和低ESL），有助于防止浪涌破坏。C 4和C vdc应尽可能靠近IPM放置，C 4优先于C vdc。
• 其他注意事项：模块内部集成了特定类型的HVIC，可直接与MCU端子耦合，无需光耦。相电流感测应使用低电感分流电阻，为避免故障，N引脚、分流电阻和PWR_GND的布线应尽可能短。SGN_GND与PWR_GND应仅在一点连接（靠近分流电阻端子），以减少电源地波动的影响。

推荐操作条件

Symbol	Parameter	Test conditions	Min.	Typ.	Max.	Unit
V PN	Supply voltage	Applied among P - Nu, Nv, Nw		300	500	V
V CC	Control supply voltage	Applied to V CC - GND	13.5	15	18	V
V BS	High - side bias voltage	Applied to V BOOTx - OUT for x = U, V, W	13		18	V
t dead	Blanking time to prevent arm - short	For each input signal	1.5			µs
f PWM	PWM input signal	- 40 °C < T C < 100 °C - 40 °C < T J < 125 °C			25	kHz
T C	Operating case temperature				100	°C

封装信息

N2DIP - 26L type Z封装

提供了该封装的外形尺寸图和机械数据，包括各个尺寸的最小值、典型值和最大值。

包装信息

模块采用管装形式，文档提供了N2DIP - 26L管的尺寸图。

总结

STGIPQ8C60T-HZ作为一款高性能的三相逆变器IPM，凭借其丰富的特性、可靠的保护功能和良好的电气性能，在三相电机控制领域具有广泛的应用前景。工程师在设计应用电路时，应充分考虑其电气特性和设计指南，以确保系统的稳定性和可靠性。你在使用类似功率模块时遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验。