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智能功率转换方案实现高效电机驱动

Alberto Guerra| 电机驱动,功率转换,IR| 2012-11-28
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导读:目前,采用低于750W电压范围的电机超过20亿台,通过采用电子控制变速解决方案所能实现的节能效果将非常显著。事实上,目前所产生的总电力能量的55%是用于驱动各种尺寸、各种形状以及各种效率的电机。由于变速驱动器通过改变负载的速度可以节省多达70%的能量成本,适用于风扇和水泵等应用的新能效标准要求采用电子控制电机。

在60多年前的发展初期,国际整流器公司(IR)的使命就一直是将功耗最小化,从而通过高效的功率转换解决方案来节约能源。一直坚守着这一目标,在最近的60年里,IR公司开创性地做出了芯片技术及封装技术的多项创新。

例如,在IGBT领域,IR提供了从600V至1200V广泛电压范围的丰富产品系列,支持对于高性能逆变器的功率需求,从极小的马力到30kW以至更高。然而,在更低范围的电机驱动功率应用中(如低于200W的应用中),以及在那些大多数时间里都采用小整体负载功率运行的电机中,与IGBT相比较,FredFet提供了最大的效率优势和更加经济的封装解决方案,因为它不需要任何的反并联续流二极管。

IR公司的新款μIPM(超小型智能功率模块)系列产品展示了IR公司致力于节能型产品和解决方案开发的最新示例,并且提供了工程师社区,以及更简易、更方便、更高效的方式,让工程师可以设计并发布能够满足客户需求和规则标准的产品。

针对30~200W逆变电机驱动市场的传统型IPM解决方案相对要求采用低效的大型结构,或者采用一个外部的散热器,以实现让人满意的散热性能。这种方法使电机控制器在电机系统费力、笨重并且通常不经济的状态下实现了完整的集成,从而使其可以被广泛地采用。

IR公司面向这一市场领域,率先开发的新款可选方法(申请专利中)采用PCB铜箔布线,用于从模块散热,通过小型封装设计来实现节能,并且在一些特定的应用中省掉了外部散热器。

新的μIPM系列器件使得设计人员可以解决在设计先进节能解决方案时遇到的技术挑战,符合适用于风扇(散热和通风)或水泵(水循环)的最新能源标准(最高达200W)。该系列采用基于解决方案的高效率、超紧凑和高度集成的QFN封装。μIPM系列同时也提供了一个新的基准,在尺寸上可与任何同类竞争解决方案相匹敌。该系列比现有的主流3相电机控制功率IC的面积缩小60%以上。

μIPM系列采用QFN类封装,包括了一系列完整的集成型3相或单相(半桥)电机控制电路解决方案。通过采用最强劲、最高效的高压FredFet MOSFET开关,特别优化了变频器应用。IR公司最先进的HV驱动器IC,μIPM产品系列具有1A至10A的额定DC范围和250V与500V的电压。

μIPM的总体尺寸仅为12x12x0.9mm,是目标市场中能够采用的最小型IPM(图1)。目前可用的典型封装解决方案是基于单边引线的直插形式,适用于通孔应用,或是基于SOP28以及相似类型封装的鸥翼式引线封装。其总体占位面积缩减了60%。这一优势对于持续降低材料成本、尺寸和总体重量限制等方面的需求至关重要。

μIPM封装尺寸比较
图1  μIPM封装尺寸比较

鸥翼式引线和DIP封装内的模块在PCB散热方面较差,而耗散功率的唯一方法是通过一个外部散热器实现,但这却增加了成本,并带来了振荡和其它的物理压力。IR公司的μIPM PQFN封装是业界首款完全集成型逆变器解决方案的示例。它将PCB用作散热器,这与负载点和VRM应用中所采用的模块解决方案非常相似,但是第一次摆脱了仅适用于低压产品的局限(图2)。

传统的DIP-IPM鸥翼式引脚封装和IR的μIPM PQFN设计
图2  传统的DIP-IPM鸥翼式引脚封装和IR的μIPM PQFN设计

与采用负载点或VRM QFN类封装类似,μIPM的功率半导体(500V FredFet)和HVIC模块也与暴露在外的引线连接并焊接到PCB的引线框。然而,要实现更小型的尺寸并降低通过PCB的功耗,却有一些需要应对的挑战,以便完全实现电机驱动设计中的最佳整体性能。

一般来说,IPM电流能力取决于DC总线电压、环境温度、开关频率(而对于所有这些元件,其频率越高则损耗越高)、调制机制(例如3相和2相)、dV/dt相位电压,当然还有FET特性(RDSON、IRec等)。

在这种表面安装解决方案的情况下(例如在μIPM系列所提供的解决方案中),电流能力还取决于PCB设计,特别是铜板厚度、铜盘区域和层数,并最终取决于最大可允许的PCB温度。换名话说,事实上,功率半导体的最大结温不如最大PCB温度重要。

通过提高PCB铜板厚度,可以将与环境之间的总热阻降低,并且最终将PCB的温度降低。图3显示了将PCB铜板厚度从1oz增至2oz,对电流能力所产生的影响。输出电流的能力随着ΔTCA的提升而提升,并且当采用一个2相调制和一个3相调制机制的时候有所提升。这样仅仅通过降低开关频率、降低开关损耗,就可以实现更高的输出电流。

μIPM额定电流与PCB铜板厚度及调制机制的示例
图3  μIPM额定电流与PCB铜板厚度及调制机制的示例

然而,还有一些其它的高性价比方法可以进一步提高μIPM的性能,例如,利用热导线路或在热导线路上采用铜线/跳线。采用这些简易的方法,其它更多的传统封装都很难获得更多的电流提升。当与那些采用更多传统封装的其它IPM解决方案相比较时,在相同的应用和负载条件下,μIPM器件能够实现提升的电流能力和更高的效率。当与竞争产品相比较时,通过PCB进行散热的性能立即突显出来。例如,在一个风扇控制器的应用中,采用1oz PCB,工作电流为100mA、15kHz,在320V DC总线下采用一个2相调制。

在室温条件下,采用传统封装的竞争器件比IRSM636-015MB的温度高出34.8℃,并在功率IC(SOI)中心显示出了热点,而对于IRSM636-015MB,最高的温度位于高端通用排水点上,与控制IC模块很远(图4)。在需要更多负载的情况下,在与μIPM的温度和功耗性能相比时,目前大多数可用的传统产品则显示出更多的严重局限(图5)。

鸥翼引线SSOP IPM与IR的μIPM IRSM636-015MB
图4  鸥翼引线SSOP IPM与IR的μIPM IRSM636-015MB
 
300mA输出电流与频率下的温度比较
图5  300mA输出电流与频率下的温度比较

通过选择一款创新型的封装解决方案,IR公司的μIPM产品在输出电流能力和系统效率方面,与更多的传统低功率电机驱动集成型解决方案相比,实现了增量的优势。产品将简单易用性、更高的散热性能相结合,并降低了总的系统尺寸。μIPM系列将协助系统设计人员和为系统集成器在家电和照明工业应用,提供更高的成本效率以及更多的高级电机控制解决方案。

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