介紹了一種針對低功率驅(qū)動器優(yōu)化的 PFC+逆變器 IPM（智能功率模塊）。三相逆變器和單個升壓 PFC 級集成在一個小型 DIL（雙列直插式）傳遞模塑型封裝中，并帶有 SOI（絕緣體上硅）柵極驅(qū)動器。使用此 IPM，可以大大減小系統(tǒng)的尺寸和成本
　　概述 新型 IPM 的內(nèi)部電路由逆變器級和 PFC 級組成。三相逆變器級具有六個額定電壓為 600V 的 TRENCHSTOPTM IGBT 和六個發(fā)射極控制二極管，以及一個提供集成自舉電路的 SOI 柵極驅(qū)動器 IC 和用于溫度監(jiān)控的熱敏電阻。PFC 級由一個額定電壓為 650V 的TRENCHSTOPTM IGBT和一個具有快速和軟開關特性的快速開關發(fā)射極控制二極管組成（圖 1）?！　?nèi)部電路

　　圖 1：內(nèi)部電路
　　降低成本
　　最小化總成本是系統(tǒng)工程師在開發(fā)新型電機驅(qū)動器時最重要的考慮因素。不僅 IPM 本身、散熱器和 PCB 等材料成本，而且開發(fā)上市時間也是總成本的主要因素。
　　小型化傳遞模塑封裝（封裝尺寸和結(jié)構）　　圖 2 顯示了高集成度 IPM 的封裝輪廓。該 IPM 采用緊湊尺寸的英飛凌科技 CIPOSTM（控制集成電源系統(tǒng)）迷你封裝，尺寸為 21 毫米 x 36 毫米 x 3.1 毫米。新 IPM 已獲得 UL 認證（UL 1557 文件 E314539），并符合 RoHS 標準。

　　外觀
　　圖 2：外部視圖　　采用具有良好導熱性的DCB（直接銅鍵合）基板作為高熱性能基板。圖 3 顯示了新 IPM 的橫截面圖。所有主要熱源（如 IGBT 和二極管）都安裝在 DCB 上，以充分利用此封裝的傳熱能力。因此，即使封裝尺寸非常緊湊，新 IPM 也可以成為高達 3kW 電機驅(qū)動器的絕佳解決方案 [1]。

　　橫截面視圖
　　圖 3：橫截面視圖
　　散熱器和 PCB 尺寸
　　所有功率半導體元件（即橋式整流器、用于 PFC 的分立 IGBT、分立升壓二極管和用于電機驅(qū)動的 IPM）通常都安裝在一個散熱器上，以便散熱。圖 4 顯示了通過將分立功率半導體和驅(qū)動器集成到一個封裝中，可以減少 PCB 和散熱器的尺寸，并簡化組裝過程 [2]?！　》蛛x式 PFC 和逆變器 IPM 解決方案 全新 IPM 解決方案

　　4a：分立式 PFC 和逆變器 IPM 解決方案

　　4b：全新 IPM 解決方案
　　發(fā)展速度加快
　　在系統(tǒng)開發(fā)過程中，電路設計、圖稿和 PCB 組裝需要花費大量時間（參考板，圖 5 和 6）。為了減少此過程所花費的時間，并快速確定新 IPM 是否可以運行電機，我們開發(fā)了一個參考板。運行電機所需的最小外圍設備安裝在板上，其他外圍設備（如 PWM 信號、+5/+15V 直流電源、PFC 電感器、DC 鏈路電解電容器）可通過與參考板的電線連接從板外使用。
　　額定電壓為 650V 的 PFC 級
　　英飛凌科技根據(jù)其 PFC IGBT 特性開發(fā)了兩種產(chǎn)品。它們是用于 20kHz 開關頻率的 High Speed 3 (HS3) 和用于 40kHz 開關頻率的 TRENCHSTOPTM 5 (TS5)，如表 1 所列。英飛凌的快速發(fā)射極控制二極管經(jīng)過優(yōu)化，可與 TRENCHSTOPTM IGBT 一起用作 PFC 拓撲中的升壓二極管。它結(jié)合了低 VF 以降低傳導損耗和低 Irr 以降低 IGBT 的 Eon [3]。所有功率器件的額定電壓均為 650V，并且它針對不穩(wěn)定的交流電網(wǎng)提供了更高的可靠性和耐用性 [4]。

　
　　圖 5b：參考板結(jié)構背面　　參考板應用示例

　　圖6：參考板應用示例

　　逆變級特點
　　逆變器級具有多種功能，可確保逆變器的安全運行。這些功能可通過堅固的 SOI 柵極驅(qū)動器和熱敏電阻來實現(xiàn)。
　　VBS=15V 時允許信號傳輸?shù)呢?VS 電位最高可達 -11V
　　集成引導功能
　　所有通道均欠壓鎖定
　　預防交叉?zhèn)鲗?br>　　保護期間所有 6 個開關均關閉
　　過流關斷
　　溫度監(jiān)控器
　　過流保護
　　新型 IPM 監(jiān)控 ITRIP 引腳電壓，當電壓超過 VIT、TH+（正向閾值電壓）時，將激活故障信號，并關閉所有 6 個 IGBT。最大過流跳閘水平通常設置為額定集電極電流的 2 倍以下 [5]。　　過流保護時序圖

　　圖7：過流保護時序圖
　　過溫保護　　為了實現(xiàn)過溫保護，該 IPM 中集成了一個熱敏電阻。25°C 時電阻通常為 85kΩ，100°C 時電阻通常為 5.4kΩ（圖 8）。

　　熱敏電阻阻值與溫度　　圖 8：熱敏電阻阻值與溫度的關系

　　如圖 9 所示，VFO 引腳直接連接到微控制器的 ADC 和故障檢測端子，因為熱敏電阻與具有開漏配置的故障輸出端子并聯(lián)。例如，當上拉電阻 R1 為 3.6kΩ 時，VFO 電壓在約 100°C 時為 2.95Vtyp。Vcrt=5V 時，Vcrt=3.3V 時為 1.95V，如圖 10 所示。
　　熱評估
　　圖 11 是測試電路和測量波形，顯示了測試系統(tǒng)在輸入功率為 2kW 時評估熱性能的運行狀態(tài)。運行條件為 PFC 控制器 = ICE2PCS05G、輸入功率 PIN = 2kW、交流輸入電壓 VIN = 220V/60Hz、直流母線電壓 VDC = 400V、逆變器開關頻率 = 5kHz、PFC 開關頻率 = 20kHz、RL 負載（R = 13.75Ω、L = 2.96mH、功率因數(shù) = 0.99）、MI = 0.69、柵極電阻 Rg = 5.1Ω、環(huán)境溫度 Ta = 25°C。被測設備為 IFCM15S60GD。輸入功率因數(shù)約為 0.995，THD 約為 9.78%?！　∵^溫保護電路

　　圖9：過溫保護電路　　VFO 電壓與溫度

　　圖 10：VFO 電壓與溫度
　　新型IPM的測試電路及波形，測試電路　　圖 11a：新型 IPM 的測試電路和波形，測試電路

　　新型IPM的測試電路及波形

　　圖11b：新型IPM的測試電路和波形，波形　　PFC IGBT位置的外殼溫度最高點約為67.5°C，高于逆變器部分的外殼溫度。IFCM15S60GD足以應對2kW以上的功率。

　　新型IPM（IFCM15S60GD）的溫度測量點和測試結(jié)果，溫度測量點
　　圖 12a：新型 IPM（IFCM15S60GD）的溫度測量點和測試結(jié)果，溫度測量點　　新型IPM（IFCM15S60GD）的溫度測量點及測試結(jié)果、溫度圖

　　圖12b：新型IPM（IFCM15S60GD）的溫度測量點和測試結(jié)果，溫度圖