適用于受限空間的低剖面IPM—CIPOS? Nano IPM

針對受限空間的創(chuàng )新方案

當前很多應用設備安裝在空間受限的環(huán)境中，如PCB板內置式電機等。由于空間有限，這類(lèi)環(huán)境往往沒(méi)有空氣流動(dòng)，也無(wú)法應用如散熱器等額外散熱裝置。在環(huán)境受限的應用中使用的產(chǎn)品需要留有足夠的熱裕量，并能夠有效地消除運行期間功率損耗導致環(huán)境溫度升高而產(chǎn)生的多余熱量。

在本文中，我們將主要介紹英飛凌的CIPOS? Nano IPM系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品可通過(guò)PCB板散熱，從而能夠在空間受限的環(huán)境中工作。

單相 220 VAC的應用

一些小型電機將PCB安裝在電機本體內以減小整體體積，這類(lèi)電機主要用于空調室內風(fēng)機、吊扇、空氣凈化器或通風(fēng)設備等應用場(chǎng)合，如圖2所示。在這些應用中，電機的普遍額定功率范圍為40~60W。

在這些應用中，電機通常處于很少或甚至沒(méi)有空氣的環(huán)境下運行，無(wú)法通過(guò)空氣對流來(lái)釋放熱量，器件需通過(guò)PCB板的表面進(jìn)行散熱，因此當IPM在空間受限的環(huán)境中使用時(shí)，必須嚴格進(jìn)行熱損耗計算。

圖3（a）描述了功率FET的熱量通過(guò)PCB板釋放的過(guò)程。IPM設計時(shí)應確保其連接到FET的引線(xiàn)框架能夠與PCB板直接接觸，使產(chǎn)生的熱量直接通過(guò)PCB板釋放。

英飛凌的小型3相CIPOSTM Nano IPM系列產(chǎn)品（12 x 12 x 0.9 mm3）因其優(yōu)異的散熱特性而被這類(lèi)電機所采用，該產(chǎn)品將一個(gè)6通道柵極驅動(dòng)器和6個(gè)MOSFET集成在同一個(gè)封裝內，如圖3（b）所示。

由于220VAC電機驅動(dòng)應用的母線(xiàn)電壓VDC為311V，額定電壓500V 的CIPOS? Nano IPM能滿(mǎn)足這類(lèi)應用等電壓要求，同時(shí)其還具有過(guò)流保護功能，且故障消除時(shí)間可通過(guò)設置R和C的值來(lái)確定。

圖3（c）給出了一個(gè)無(wú)傳感器電機驅動(dòng)系統的應用電路，該電路采用了英飛凌電機運動(dòng)控制IC IRMCF171，其中IPM的故障輸出引腳連接到IRMCF171的GATEKILL引腳，允許控制器在發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉所有的柵極控制信號。

通過(guò)熱量測試測量功率容量

如上所述，CIPOS? Nano IPM產(chǎn)生的熱量需要通過(guò)PCB板來(lái)進(jìn)行釋放，然而這需要通過(guò)熱測量進(jìn)行驗證。圖4（a）給出了PCB布局和使用熱成像儀對其進(jìn)行熱測量的結果。CIPOS? Nano IPM安裝在敷銅為1盎司的PCB板上，在環(huán)境溫度25℃且沒(méi)有氣流的環(huán)境中，采用不連續SVPWM方式運行時(shí)可輸出電流為500mA。在三相SVPWM運行方式中，該IPM的輸出電流高達480mA。此時(shí)，當開(kāi)關(guān)頻率為6kHz時(shí)，輸出到電機的功率為65W左右，如圖4（b）所示。

當使用PCB敷銅為2盎司時(shí)，可以獲得更大輸出電流。同樣采用6kHz的開(kāi)關(guān)頻率，此時(shí)IPM的電流能力從500mA增加到580mA，同比增長(cháng)16％。如果開(kāi)關(guān)頻率為20kHz，模塊電流輸出能力可從370mA增加到460mA，增加23％。

為了獲得更大的電流輸出能力，可以將絕緣散熱膜直接應用于PCB板上。

如圖5（b）所示，在PCB板上使用40x40mm2絕緣散熱膜時(shí)，模塊結溫從137℃降至88℃。此時(shí)在6kHz的開(kāi)關(guān)頻率下，模塊電流能力可從500mA增加到650mA，相對增加30％。而在開(kāi)關(guān)頻率20kHz時(shí)，其電流能力可以從370mA增加到530mA，相對增加42％。

低壓風(fēng)機及電池驅動(dòng)型電機中的應用

某些電機應用中會(huì )采用額定電壓低于100VDC的低壓風(fēng)機。這類(lèi)風(fēng)機通常由24V或48V的直流電源或電壓60V以下的電池來(lái)供電。對于這類(lèi)應用，CIPOS? Nano IPM系列產(chǎn)品中的 40V/80A的IRSM005-800MA或100V/30A的IRSM005-301MA等半橋低壓IPM能夠滿(mǎn)足其需求。這類(lèi)IPM的機械設計理念與前面所講的3相IPM相同，其引線(xiàn)框架與封裝表面（即PCB）之間也有著(zhù)直接的熱接觸。

使用IRSM005系列IPM進(jìn)行設計時(shí)只需要在其外圍電路中增加一個(gè)自舉二極管、自舉電容和柵極電阻。通過(guò)對這些CIPOSTM Nano IPM系列產(chǎn)品進(jìn)行靈活的半橋配置，可充分滿(mǎn)足單相應用、H橋或3相應用的需求。

結論

在本文中，我們已經(jīng)說(shuō)明了PCB板內置式電機在空間受限的環(huán)境中應用時(shí)克服缺少氣流和散熱器的經(jīng)過(guò)驗證的解決方案。在系統設計中需要留有足夠的熱裕量，且在過(guò)程中使用熱像儀或其他技術(shù)進(jìn)行計算和測量。(英飛凌igbt廠(chǎng)家)