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更高能效、穩定可靠的工業驅動模塊和開箱即用的電機開發套件

2020-12-08 13:37:33 安森美

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功率集成模塊(PIM)被廣泛用于驅動、泵、暖通空調 (HVAC)、能源轉換等各個領域，實現對能源的調制及高效利用。安森美半導體的創新的壓鑄模PIM (TMPIM)，集成最佳的IGBT / FRD技術，采用可靠的基板和環氧樹脂壓鑄模技術，比普通的凝膠填充功率模塊提高熱循環使用壽命10倍，提高功率回環使用壽命3倍，有利于逆變器系統實現更高能效、更長的使用壽命及更高可靠性，適用于工業電機驅動、泵、風扇、熱泵、HVAC、伺服控制等多種應用。

TMPIM簡介

普通的PIM采用塑料邊框、粘膠固定在基板上，內部填充絕緣凝膠。而TMPIM采用半導體級環氧樹脂塑封，將功率半導體器件和基板一次覆蓋成型，這種工藝的優勢有：外形緊湊、工藝簡單、模塊使用壽命長、強固、耐腐蝕性、具有基板選擇和定制設計的靈活性。因此，TMPIM具有更高的能效、可靠性和功率密度。按功率等級，TMPIM分為Compact、DIP-26和QLP-74三個系列。安森美半導體已推出的1200 V 25 A、35 A和50 A的TMPIM，屬于DIP-26系列，涵蓋3.75 kW至10 kW，提供轉換器-逆變器-制動 (CIB) 和轉換器-逆變器 (CI) 架構版本，是HVAC和工業驅動應用的理想選擇，未來將推出1200 V級和650 V級35 A至200 A的產品，包括涵蓋10 kW至20 kW的QLP-74系列，達到功率頻譜全覆蓋，以滿足各種不同的功率需求。下表列出了安森美半導體已推出的TMPIM模塊。

TMPIM CIB功率模塊的應用示意圖

所有DIP-26系列CIB / CI模塊共用一種管腳，CI模塊的制動管腳空接。各種電壓和功率的模塊共享一種管腳和PCB布線，將大大減輕開發人員的設計工作量，也便于將來的功率提升。

TMPIM CIB模塊廣泛應用于HVAC、電機驅動和伺服控制等領域。工作時，轉換器從電網取電，將交流電整流為直流。針對各國電網電壓的不同，模塊電壓分650 V和1200 V，其中，650 V的TMPIM CIB模塊適用于240 V的3相逆變，1200 V的模塊適用于400 V的3相逆變。在轉換器后通常接母線電容，用于減少逆變部分動態功率的紋波。

逆變部分通常由3相6個IGBT和二極管組成，在控制開關的同時，把直流轉換為交流。由于IGBT開關可控，輸出交流的頻率、相位可調，可精準控制電機和壓縮機的轉速和力矩。當我們定義模塊為多少安培時，指的是逆變部分的額定電流。作為參考，1200 V、25 A/35 A/50 A的CIB模塊通常分別可輸出5 kW、7.5 kW、10 kW。當控制和冷卻等條件發生變化時，輸出功率會有很大變化，具體可由安森美半導體的在線仿真器得出。

當電機制動/減速時，電機線圈變為發電模式，當慣量很大時，能量會反沖母線電容，有可能造成電容過壓擊穿，制動器IGBT這時會開通，連通外面連接的制動電阻，為電容放電。當應用為壓縮機、風扇、泵等小慣量場景時，反沖電能很小，可去掉制動器，去掉制動器的模塊簡稱CI模塊。

TMPIM標準型和增強型內部結構

安森美半導體提供標準型和增強型兩種版本的TMPIM。雖然標準型和增強型的外觀、尺寸相同，但增強型采用了更先進的基板，具有更高可靠性和銅厚，實現更低熱阻和更高輸出功率。標準型采用覆銅板 (DBC) 基板，性價比較高。

TMPIM對比市場上的主流競爭器件

安森美半導體將35 A標準型CIB TMPIM模塊、50 A增強型CIB TMPIM模塊分別與市場上不帶銅基板的凝膠填充模塊和帶銅基板的凝膠填充模塊在相同條件下進行比較，結果顯示，CIB TMPIM模塊的直流曲線、交流曲線、開關波形在整體上都優于競爭器件，TMPIM的功率損耗更低，能效更高。

在功率回環測試中，TMPIM的散熱器溫度及殼溫優于競爭器件。

在電機測試中，1200 V、35 A標準型CIB TMPIM模塊驅動380 V、7 kW壓縮機，當轉速達到最高轉速6500轉時，IGBT實測溫度為110 0C，達到其客戶最高工作溫度的要求并有余量；50 A增強型CIB TMPIM模塊在高負載條件下持續工作達20 kW輸出，在最高轉速下的模塊溫度低于競爭器件的溫度。

在短路測試中，TMPIM IGBT在達到高能效的同時，有較好的短路電流特性。

在溫度循環壽命測試中，在-40 0C至125 0C的測試條件下，TMPIM模塊溫度循環達1000個周期，沒有出現明顯的變化和分層現象，而競爭器件在100個周期時已損傷。

除了環境溫度的變化，功率器件在工作時自身也會發熱。在與競爭器件的比較測試中，TMPIM得益于樹脂對綁定線和焊錫層的保護作用，其循環使用壽命是普通的凝膠填充功率模塊的3倍。

在高溫、高壓、高濕度、功率和溫度循環等內外部質量標準測試中，TMPIM全都通過測試。

在熱阻測試中，增強型TMPIM的熱阻較帶銅基板的競爭器件低，標準型TMPIM的熱阻與不帶銅基板的凝膠填充模塊類似。

功率密度方面，在輸出相同或高功率的情況下，TMPIM比競爭器件更輕型化，功率密度更高，適用于對體積和重量敏感的應用領域。

要評估TMPIM電源模塊，請點擊https://www.onsemi.cn/pub/Collateral/EVBUM2669-D.PDF下載TMPIM評估板參考設計。

電機開發套件 (MDK) 開箱即用

電機驅動系統正隨著工業自動化及機械人激增，其消耗的電力在工業化國家超過50%。其中約80%為交流感應電機，平均能效僅44%。功率模塊是提高電機驅動系統的性能、能效及可靠性，實現精準測量和控制的關鍵。為幫助設計人員加速開發更高能效的電機控制方案，安森美半導體推出了先進而靈活的MDK，適用于從低于1 kW到超過10 kW的應用。這模塊化的綜合原型平臺包括通用控制器板 (UCB) 和一系列不斷擴展的電機驅動評估板之一，軟件開發支持來自Xilinx以Vivado®設計套件的形式進行高層次綜合。UCB采用Xilinx的Zynq®-7000現場可編程門陣列(FPGA) / ARM系統單芯片 (SoC)，適用于高端控制和基于人工智能(AI)的應用。USB也可通過Xilinx的開源項目PYNQ使用Python進行編程。UCB與Xilinx開發工具和庫完全兼容，并與Trenz Electronic合作開發。

MDK匯集了安森美半導體在電源領域的專知和技術，從中低功率的智能功率模塊(IPM)到大功率的PIM，及輔助電源控制器、門極驅動器、功率MOSFET、運放、檢測等，和先進的封裝技術，把這些技術整合到一個單一的生態系統中，開箱即用。

其中，基于IPM的方案主要用于最高10 kW的工業和家用電器電機驅動應用，提供在低EMI、安全穩定和可靠性及開關速度方面很好的性能折中。IPM高度集成基板、功率開關、功率二極管、門極驅動、無源器件等，可替代45至100個分立器件，有很好的故障容錯性，簡化的熱管理，PCB板易于設計，內置隔離大于等于2 kW，保護功能包括過壓/欠壓鎖定，防擊穿和過流跳閘。安森美半導體的MDK當前支持的SECO-1KW-MCTRL-GEVB和SECO-MDK-4KW-65SMP31-GEVB都使用IPM技術，分別適用于驅動最高1 kW和4 kW的電機。

SECO-1KW-MCTRL-GEVB提供從市電的交流輸入到電機的交流輸出的完整方案。額定輸入電壓為230 Vac，它包括一個EMC濾波器和橋式整流器、交錯式兩通道功率因數校正 (PFC) 和NFAQ1060L36T IPM作為逆變器級，以及輔助電源、測量和保護。

SECO-4KW-65SPM31-GEVB驅動板采用NFAM5065L4B 650 V智能功率模塊，額定輸入電壓為400 VDC，可以提供高達1 kW的連續功率，并可以在短時間內或通過添加散熱器提供高達4 kW的功率，非常適合工業驅動和商業暖通空調和制冷 (HVACR) 應用。

基于TMPIM的方案用于達50 kW的工業電機應用，提供在設計靈活性、可靠性、熱性能和寬功率范圍的極佳性能折中，并具備前文所述的多個優勢。基于安森美半導體TMPIM技術的電源板將于2021年第一季度推出。

同時，安森美半導體也提供損耗仿真工具Powertrain和由經驗數據構建的熱模型，幫助設計人員快速了解和比較每種選擇的熱性能和損耗并根據要求進行優化，從而進一步加快開發。TMPIM的在線仿真網址為，https://www.onsemi.cn/site/design-tools/motion-control/，您需要注冊一個免費賬號，找到TMPIM封裝如DIP-26及產品號，即可進行仿真。

總結

安森美半導體的TMPIM采用創新工藝、先進的厚銅基板和環氧樹脂壓鑄模技術，比普通的凝膠填充功率模塊減小57%的體積，且提高30%的熱阻，大大增加功率密度，熱循環使用壽命提高10倍，功率回環使用壽命提高3倍，提供更高能效，助推終端逆變器系統更長的使用壽命及高可靠性。該模塊用環氧樹脂模塑密封，背面鍍鎳，可防止銅墊之間形成枝晶，適合在某些腐蝕氣體工作環境下工作，引腳與散熱器電氣間隙6mm，符合IEC61800-5-1標準和UL1557標準 (E608861)。安森美半導體的MDK則提供一個結合硬件、軟件和TMPIM等功率模塊的生態系統，為評估可變速電機逆變方案提供“開箱即用”的體驗，使原本復雜且耗時的電機驅動開發工作變得簡單，大大優化能效、運營成本和設計靈活性。

關鍵詞：工業驅動電機開發套件