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更高能效、穩(wěn)定可靠的工業(yè)驅(qū)動(dòng)模塊和開箱即用的電機(jī)開發(fā)套件

2020-12-8 來源：- 作者：-

功率集成模塊(PIM)被廣泛用于驅(qū)動(dòng)、泵、暖通空調(diào) (HVAC)、能源轉(zhuǎn)換等各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的調(diào)制及高效利用。安森美半導(dǎo)體的創(chuàng)新的壓鑄模PIM (TMPIM)，集成最佳的IGBT / FRD技術(shù)，采用可靠的基板和環(huán)氧樹脂壓鑄模技術(shù)，比普通的凝膠填充功率模塊提高熱循環(huán)使用壽命10倍，提高功率回環(huán)使用壽命3倍，有利于逆變器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高能效、更長的使用壽命及更高可靠性，適用于工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、泵、風(fēng)扇、熱泵、HVAC、伺服控制等多種應(yīng)用。

TMPIM簡介

普通的PIM采用塑料邊框、粘膠固定在基板上，內(nèi)部填充絕緣凝膠。而TMPIM采用半導(dǎo)體級(jí)環(huán)氧樹脂塑封，將功率半導(dǎo)體器件和基板一次覆蓋成型，這種工藝的優(yōu)勢(shì)有：外形緊湊、工藝簡單、模塊使用壽命長、強(qiáng)固、耐腐蝕性、具有基板選擇和定制設(shè)計(jì)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(jí)，TMPIM分為Compact、DIP-26和QLP-74三個(gè)系列。安森美半導(dǎo)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(zhuǎn)換器-逆變器-制動(dòng) (CIB) 和轉(zhuǎn)換器-逆變器 (CI) 架構(gòu)版本，是HVAC和工業(yè)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的理想選擇，未來將推出1200 V級(jí)和650 V級(jí)35 A至200 A的產(chǎn)品，包括涵蓋10 kW至20 kW的QLP-74系列，達(dá)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(dǎo)體已推出的TMPIM模塊。

TMPIM CIB功率模塊的應(yīng)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(dòng)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(fā)人員的設(shè)計(jì)工作量，也便于將來的功率提升。

TMPIM CIB模塊廣泛應(yīng)用于HVAC、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和伺服控制等領(lǐng)域。工作時(shí)，轉(zhuǎn)換器從電網(wǎng)取電，將交流電整流為直流。針對(duì)各國電網(wǎng)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(zhuǎn)換器后通常接母線電容，用于減少逆變部分動(dòng)態(tài)功率的紋波。

逆變部分通常由3相6個(gè)IGBT和二極管組成，在控制開關(guān)的同時(shí)，把直流轉(zhuǎn)換為交流。由于IGBT開關(guān)可控，輸出交流的頻率、相位可調(diào)，可精準(zhǔn)控制電機(jī)和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩。當(dāng)我們定義模塊為多少安培時(shí)，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(dāng)控制和冷卻等條件發(fā)生變化時(shí)，輸出功率會(huì)有很大變化，具體可由安森美半導(dǎo)體的在線仿真器得出。

當(dāng)電機(jī)制動(dòng)/減速時(shí)，電機(jī)線圈變?yōu)榘l(fā)電模式，當(dāng)慣量很大時(shí)，能量會(huì)反沖母線電容，有可能造成電容過壓擊穿，制動(dòng)器IGBT這時(shí)會(huì)開通，連通外面連接的制動(dòng)電阻，為電容放電。當(dāng)應(yīng)用為壓縮機(jī)、風(fēng)扇、泵等小慣量場(chǎng)景時(shí)，反沖電能很小，可去掉制動(dòng)器，去掉制動(dòng)器的模塊簡稱CI模塊。

TMPIM標(biāo)準(zhǔn)型和增強(qiáng)型內(nèi)部結(jié)構(gòu)

安森美半導(dǎo)體提供標(biāo)準(zhǔn)型和增強(qiáng)型兩種版本的TMPIM。雖然標(biāo)準(zhǔn)型和增強(qiáng)型的外觀、尺寸相同，但增強(qiáng)型采用了更先進(jìn)的基板，具有更高可靠性和銅厚，實(shí)現(xiàn)更低熱阻和更高輸出功率。標(biāo)準(zhǔn)型采用覆銅板 (DBC) 基板，性價(jià)比較高。

TMPIM對(duì)比市場(chǎng)上的主流競(jìng)爭器件

安森美半導(dǎo)體將35 A標(biāo)準(zhǔn)型CIB TMPIM模塊、50 A增強(qiáng)型CIB TMPIM模塊分別與市場(chǎng)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(jìn)行比較，結(jié)果顯示，CIB TMPIM模塊的直流曲線、交流曲線、開關(guān)波形在整體上都優(yōu)于競(jìng)爭器件，TMPIM的功率損耗更低，能效更高。

在功率回環(huán)測(cè)試中，TMPIM的散熱器溫度及殼溫優(yōu)于競(jìng)爭器件。

在電機(jī)測(cè)試中，1200 V、35 A標(biāo)準(zhǔn)型CIB TMPIM模塊驅(qū)動(dòng)380 V、7 kW壓縮機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高轉(zhuǎn)速6500轉(zhuǎn)時(shí)，IGBT實(shí)測(cè)溫度為110 0C，達(dá)到其客戶最高工作溫度的要求并有余量；50 A增強(qiáng)型CIB TMPIM模塊在高負(fù)載條件下持續(xù)工作達(dá)20 kW輸出，在最高轉(zhuǎn)速下的模塊溫度低于競(jìng)爭器件的溫度。

在短路測(cè)試中，TMPIM IGBT在達(dá)到高能效的同時(shí)，有較好的短路電流特性。

在溫度循環(huán)壽命測(cè)試中，在-40 0C至125 0C的測(cè)試條件下，TMPIM模塊溫度循環(huán)達(dá)1000個(gè)周期，沒有出現(xiàn)明顯的變化和分層現(xiàn)象，而競(jìng)爭器件在100個(gè)周期時(shí)已損傷。

除了環(huán)境溫度的變化，功率器件在工作時(shí)自身也會(huì)發(fā)熱。在與競(jìng)爭器件的比較測(cè)試中，TMPIM得益于樹脂對(duì)綁定線和焊錫層的保護(hù)作用，其循環(huán)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(huán)等內(nèi)外部質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試中，TMPIM全都通過測(cè)試。

在熱阻測(cè)試中，增強(qiáng)型TMPIM的熱阻較帶銅基板的競(jìng)爭器件低，標(biāo)準(zhǔn)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(jìng)爭器件更輕型化，功率密度更高，適用于對(duì)體積和重量敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。

要評(píng)估TMPIM電源模塊，請(qǐng)點(diǎn)擊https://www.onsemi.cn/pub/Collateral/EVBUM2669-D.PDF下載TMPIM評(píng)估板參考設(shè)計(jì)。

電機(jī)開發(fā)套件 (MDK) 開箱即用

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正隨著工業(yè)自動(dòng)化及機(jī)械人激增，其消耗的電力在工業(yè)化國家超過50%。其中約80%為交流感應(yīng)電機(jī)，平均能效僅44%。功率模塊是提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能、能效及可靠性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量和控制的關(guān)鍵。為幫助設(shè)計(jì)人員加速開發(fā)更高能效的電機(jī)控制方案，安森美半導(dǎo)體推出了先進(jìn)而靈活的MDK，適用于從低于1 kW到超過10 kW的應(yīng)用。這模塊化的綜合原型平臺(tái)包括通用控制器板 (UCB) 和一系列不斷擴(kuò)展的電機(jī)驅(qū)動(dòng)評(píng)估板之一，軟件開發(fā)支持來自Xilinx以Vivado®設(shè)計(jì)套件的形式進(jìn)行高層次綜合。UCB采用Xilinx的Zynq®-7000現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA) / ARM系統(tǒng)單芯片 (SoC)，適用于高端控制和基于人工智能(AI)的應(yīng)用。USB也可通過Xilinx的開源項(xiàng)目PYNQ使用Python進(jìn)行編程。UCB與Xilinx開發(fā)工具和庫完全兼容，并與Trenz Electronic合作開發(fā)。

MDK匯集了安森美半導(dǎo)體在電源領(lǐng)域的專知和技術(shù)，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(qū)動(dòng)器、功率MOSFET、運(yùn)放、檢測(cè)等，和先進(jìn)的封裝技術(shù)，把這些技術(shù)整合到一個(gè)單一的生態(tài)系統(tǒng)中，開箱即用。

其中，基于IPM的方案主要用于最高10 kW的工業(yè)和家用電器電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，提供在低EMI、安全穩(wěn)定和可靠性及開關(guān)速度方面很好的性能折中。IPM高度集成基板、功率開關(guān)、功率二極管、門極驅(qū)動(dòng)、無源器件等，可替代45至100個(gè)分立器件，有很好的故障容錯(cuò)性，簡化的熱管理，PCB板易于設(shè)計(jì)，內(nèi)置隔離大于等于2 kW，保護(hù)功能包括過壓/欠壓鎖定，防擊穿和過流跳閘。安森美半導(dǎo)體的MDK當(dāng)前支持的SECO-1KW-MCTRL-GEVB和SECO-MDK-4KW-65SMP31-GEVB都使用IPM技術(shù)，分別適用于驅(qū)動(dòng)最高1 kW和4 kW的電機(jī)。

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

SECO-4KW-65SPM31-GEVB驅(qū)動(dòng)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(dá)1 kW的連續(xù)功率，并可以在短時(shí)間內(nèi)或通過添加散熱器提供高達(dá)4 kW的功率，非常適合工業(yè)驅(qū)動(dòng)和商業(yè)暖通空調(diào)和制冷 (HVACR) 應(yīng)用。

基于TMPIM的方案用于達(dá)50 kW的工業(yè)電機(jī)應(yīng)用，提供在設(shè)計(jì)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(gè)優(yōu)勢(shì)。基于安森美半導(dǎo)體TMPIM技術(shù)的電源板將于2021年第一季度推出。

同時(shí)，安森美半導(dǎo)體也提供損耗仿真工具Powertrain和由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的熱模型，幫助設(shè)計(jì)人員快速了解和比較每種選擇的熱性能和損耗并根據(jù)要求進(jìn)行優(yōu)化，從而進(jìn)一步加快開發(fā)。TMPIM的在線仿真網(wǎng)址為，https://www.onsemi.cn/site/design-tools/motion-control/，您需要注冊(cè)一個(gè)免費(fèi)賬號(hào)，找到TMPIM封裝如DIP-26及產(chǎn)品號(hào)，即可進(jìn)行仿真。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體的TMPIM采用創(chuàng)新工藝、先進(jìn)的厚銅基板和環(huán)氧樹脂壓鑄模技術(shù)，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(huán)使用壽命提高10倍，功率回環(huán)使用壽命提高3倍，提供更高能效，助推終端逆變器系統(tǒng)更長的使用壽命及高可靠性。該模塊用環(huán)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(huán)境下工作，引腳與散熱器電氣間隙6mm，符合IEC61800-5-1標(biāo)準(zhǔn)和UL1557標(biāo)準(zhǔn) (E608861)。安森美半導(dǎo)體的MDK則提供一個(gè)結(jié)合硬件、軟件和TMPIM等功率模塊的生態(tài)系統(tǒng)，為評(píng)估可變速電機(jī)逆變方案提供“開箱即用”的體驗(yàn)，使原本復(fù)雜且耗時(shí)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)開發(fā)工作變得簡單，大大優(yōu)化能效、運(yùn)營成本和設(shè)計(jì)靈活性。

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