一种针对小功率电机驱动的全新压注模表面贴装型智能功率模块

摘   要

本文介绍了一种针对小功率电机驱动的全新压注模表面贴装型（SMD）智能功率模块（IPM），适用于冰箱、洗碗机及风扇等白色家电产品应用，具有体积小、可靠性高等特点。通过采用全新封装技术和更薄的逆导型IGBT（RC-IGBT）芯片，全新表面贴装型IPM不仅成功地将三相全桥电路、IGBT栅极驱动IC以及BSD（自举二极管）等集成到紧凑的表贴型封装中，并内置包括上下臂互锁、温度信号模拟量输出、短路保护及控制侧电源欠压保护等保护功能。该系列模块采用压注模封装技术制造，具有良好的热膨胀系数匹配，实现了足够小的封装尺寸，有助于显著降低变频驱动系统的整体尺寸和设计复杂性。总之，该系列产品能够大大简化和缩短家电产品中逆变器功率级的设计过程。

1、 概要

作为应对全球变暖最重要的措施之一，在空调室内/外风机、洗碗机排水/再循环泵、冰箱压缩机等小功率家用电器应用中采用变频驱动在近年发展迅速。由于这类产品的内部空间有限，变频系统设计最重要的要求之一是严格限制逆变器驱动板的尺寸。

这类家电应用中的传统变频驱动解决方案往往使用分立元件来实现三相开关电路拓扑，因而需要大量的电子元器件及复杂的组装过程。因此，需要一种能够将IGBT、FWD（续流二极管）、驱动 IC、BSD(自举二极管)等关键元器件高度集成并且具有紧凑封装的器件解决方案。为满足这一市场需求，三菱电机开发了一系列表面贴装型IPM产品，其额定规格为1A/600V和3A/600V，可为小功率家电应用提供良好的解决方案。

表面贴装型IPM系列产品的封装外形和内部电路框图分别如图1和图2所示。

图1   表面贴装型IPM封装外形

图2 表面贴装型IPM内部电路框图

为了将尽可能多的分立元器件集成到IPM封装中，我们采用了将IGBT和FWD集成为单个芯片中的RC-IGBT芯片，以确保有足够的空间用于其他芯片/器件的封装。同时，IGBT栅极驱动IC和BSD等自举电路元件也被集成到这个紧凑封装中。

2、 全新RC-IGBT芯片技术

基于三菱电机超薄晶圆工艺和第7代CSTBTTM芯片技术，全新RC-IGBT芯片将IGBT和FWD完美地集成在同一芯片中，并采用了微细加工工艺来实现低VCE(sat)和低功率损耗，以取得更好的元胞间距和改善载流子存储效应。图3给出了第7代IGBT芯片与上代芯片的结构对比。

图3  第7代IGBT与上代芯片的结构对比

得益于全新芯片技术，与上一代RC-IGBT相比，在相同芯片尺寸下，全新RC-IGBT的导通压降降低了约50％。图4给出了全新RC-IGBT与上代RC-IGBT之间导通压降的比较。

图4  全新RC-IGBT与上代RC-IGBT间导通压降对比（ Tj=25℃及VGE=15V）

与其他DIPIPMTM产品相比，全新表面贴装型IPM的性能经过优化，可在更高的PWM载波频率下工作，以满足如风机、鼓风机等家电应用的需求。图5给出了1A/600V表面贴装型IPM产品的输出电流、温升及功率损耗的关系曲线。

图5 1A/600V表面贴装型IPM功率损耗及温升与电流关系曲线

（Vcc=300V, fc=20kHz, pf=0.8,M=1, Tj=125 ℃, 3 相调制）

3、封装与功能

由于需求数量庞大，家电市场对成本要求更为严格，逆变器控制板尺寸的缩小是实现成本目标的有效途径之一，而功率模块封装尺寸的缩小将为实现这一目标做出巨大贡献。

图6   超小型DIPIPMTM(左)与表面贴装型IPM(右)封装对比

全新表面贴装型IPM具有非常紧凑的封装尺寸，通过采用RC-IGBT，其功率芯片数量可以减少到超小型DIPIPMTM系列产品的一半，其中超小型DIPIPMTM和全新表面贴装型IPM模块的尺寸比较如图6所示。

一些全新封装技术被用于全新表面贴装型IPM产品的设计中，并成功地在模块内部集成BSD等自举电路元件，以进一步减少对外部元件的需求，从而使其与市场上其他类似尺寸的产品有所不同。

此外，某些增值功能也被设计进全新表面贴装型IPM产品中，如集成上/下桥臂互锁功能，防止直通时产生大电流损坏功率芯片；集成配有100Ω限流电阻的BSD芯片，更低电阻确保更稳定的上桥臂电源；温度信号模拟量输出功能（VOT）采用了激光微调技术，通过内置控制LVIC的高精度温度转换电路来实现，通过监测输出电压的模拟信号，可以在更接近于可承受的最高结温下使用DIPIPMTM。图7为BSD的VF-IF曲线，图8则为VOT的输出特性曲线。

图7   自举二极管的VF-IF曲线

图8   全新表面贴装型IPM的VOT输出特性(1A/600V)

4、电气特性

1A/600V 全新表面贴装型IPM的主要电气特性（逆变部分和控制部分）如表1所示。

表1  1A/600V全新表面贴装型IPM电气特性参数(如无特别说明，均在Tj=25℃下测试)

5、结 论

通过采用RC-IGBT功率芯片技术，三菱电机开发了用于白色家电应用的全新压注模表面贴装型IPM系列产品，以追求高可靠性和高性价比。新模块在内部集成了IGBT栅极驱动IC（HVIC/LVIC）和自举电路元件（BSD等），与目前的超小型DIPIPMTM产品相比，封装尺寸缩小约50％，这将有助于节能型社会的建立。