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更高能效、穩定可（kě）靠的工業驅動（dòng）模塊（kuài）和開箱即用（yòng）的電機開發套件

2020-12-8 來源：- 作者：-

功率集成模塊(PIM)被廣泛（fàn）用於驅動、泵、暖通空調 (HVAC)、能（néng）源轉換等各個領域，實現對能源的調製及高效利用。安森美半導（dǎo）體的創新的壓鑄模PIM (TMPIM)，集成最佳（jiā）的（de）IGBT / FRD技術，采用可靠（kào）的基板和環氧樹脂壓（yā）鑄（zhù）模技術，比普通的凝膠（jiāo）填充（chōng）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，有利於逆變器（qì）係（xì）統實（shí）現（xiàn）更高能效（xiào）、更長的使用壽命及更高可靠性，適用（yòng）於工業（yè）電機驅動、泵、風扇、熱泵（bèng）、HVAC、伺服控製等（děng）多種應用。

TMPIM簡介

普通（tōng）的PIM采用塑料邊框（kuàng）、粘膠固定在（zài）基板（bǎn）上，內部（bù）填充絕緣凝膠。而TMPIM采用半導體級（jí）環氧樹脂塑（sù）封，將功率半導體器（qì）件和基板一（yī）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（qiáng）固（gù）、耐腐蝕性、具有基板（bǎn）選擇和定製設計的靈活性（xìng）。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-74三個係列。安森美半導體已推出的（de）1200 V 25 A、35 A和50 A的TMPIM，屬於DIP-26係列，涵蓋3.75 kW至10 kW，提供（gòng）轉換器-逆變（biàn）器-製動 (CIB) 和轉換器-逆變器 (CI) 架構版本，是HVAC和工（gōng）業驅動應用的（de）理想選擇，未（wèi）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係（xì）列，達（dá）到功率頻譜（pǔ）全（quán）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功率模塊的應用示意圖

所有DIP-26係列CIB / CI模塊共用一種管腳，CI模塊的製動管腳空接。各種電壓（yā）和功率的模塊共享一種管腳（jiǎo）和PCB布線，將大大減輕開發（fā）人員的設計工作量，也便於將來的功率提升。

TMPIM CIB模塊廣泛應用於HVAC、電機驅動和伺服控製等領域。工作時，轉換器從電網取電（diàn），將交流電整流為直流。針對各國電網電（diàn）壓的不同，模塊電壓分650 V和（hé）1200 V，其中，650 V的TMPIM CIB模塊適用於240 V的3相逆變，1200 V的模塊適用於400 V的3相逆變（biàn）。在轉換器後（hòu）通常（cháng）接（jiē）母線電容，用於減少逆變部分動態功率的紋波（bō）。

逆變部分通常由3相6個IGBT和二極管組（zǔ）成，在控製開關的同（tóng）時（shí），把直流轉換為交流。由於IGBT開關可控，輸出交流的頻率、相位可調，可精準控（kòng）製電機和壓縮機的轉速和（hé）力（lì）矩。當我們定義模塊為多少安培時，指的（de）是逆（nì）變部分的額定電流。作為參考，1200 V、25 A/35 A/50 A的（de）CIB模（mó）塊通常分別（bié）可輸出（chū）5 kW、7.5 kW、10 kW。當控製和冷卻等條件發生變化時，輸出功率會有很大（dà）變化，具體可由安森美半導體（tǐ）的（de）在線（xiàn）仿真器得出。

當電機製動/減速時，電機線圈變為發電模式，當慣（guàn）量很大時，能量會反（fǎn）衝（chōng）母線電容，有可能（néng）造成電容過壓擊穿，製動器IGBT這時會（huì）開通，連通外麵連接的製動電阻，為（wéi）電容放電。當應用為（wéi）壓縮機、風（fēng）扇、泵等小慣量場景時，反衝電能很（hěn）小，可去掉製動器，去掉製動器的模塊簡稱CI模塊。

TMPIM標（biāo）準型和增強型內部結構

安（ān）森美半導體提供標準型和增強型兩種版本的TMPIM。雖然標（biāo）準型和（hé）增強型（xíng）的外觀（guān）、尺（chǐ）寸相同，但增強（qiáng）型采用了更（gèng）先進的基板，具有更高可（kě）靠（kào）性和銅厚，實（shí）現更低熱阻和（hé）更高（gāo）輸出（chū）功率。標準（zhǔn）型采用覆銅板 (DBC) 基板，性價比較（jiào）高（gāo）。

TMPIM對比市場上的主流（liú）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（kuài）分別與市場上不帶銅基板（bǎn）的（de）凝膠填充模塊和帶（dài）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（mó）塊的直流曲線、交流曲線、開關波形在整體上都優於競爭器件，TMPIM的功（gōng）率損耗更低，能效更（gèng）高。

在功率回環測試中，TMPIM的散熱器溫度及（jí）殼溫優（yōu）於競（jìng）爭器件。

在電機測試中，1200 V、35 A標（biāo）準型CIB TMPIM模塊驅動380 V、7 kW壓（yā）縮機（jī），當轉速達到最高轉（zhuǎn）速（sù）6500轉時，IGBT實測溫度為（wéi）110 0C，達到其客（kè）戶最高工作溫度的要（yào）求並（bìng）有餘量；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於競爭器件的溫度。

在（zài）短路（lù）測試中，TMPIM IGBT在達到（dào）高能效的同時，有較好的短路電（diàn）流特性。

在溫度循（xún）環（huán）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（yǒu）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（le）環境溫（wēn）度的變化，功率（lǜ）器件（jiàn）在工作（zuò）時自身也（yě）會發熱。在與競爭器件的比較測試中（zhōng），TMPIM得益於樹（shù）脂對綁定線（xiàn）和焊錫層的保護作用，其循（xún）環使用壽命（mìng）是普通的凝膠填充功率模塊的3倍。

在高（gāo）溫、高壓、高濕度、功率和溫度（dù）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（jìng）爭器件低，標準型TMPIM的熱阻（zǔ）與不帶銅基板的（de）凝膠填充（chōng）模塊類似（sì）。

功（gōng）率密度方麵，在輸出相同（tóng）或高功率的情（qíng）況下，TMPIM比競爭器件更輕型（xíng）化，功率（lǜ）密度更高，適用於對體積和重量敏感的（de）應用領域（yù）。

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

電機（jī）開發套件 (MDK) 開箱即用

電機驅動係統正隨著工業自動化及機械人激增，其消耗的電力在（zài）工業化國家超過50%。其中約（yuē）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係統的性能、能效及可靠性，實現精準測量和控製的（de）關鍵。為幫助設計人員加速開（kāi）發更高能效的電機控製方案，安森美半導體推出了先（xiān）進而靈活的MDK，適用於從低於1 kW到超過10 kW的應（yīng）用。這模塊化的綜合原（yuán）型平台包括通用控製器板 (UCB) 和（hé）一係列不斷擴展（zhǎn）的電機驅動評估板之一，軟件開發支持（chí）來自Xilinx以Vivado®設計套件的形式進行（háng）高層次（cì）綜合。UCB采用Xilinx的Zynq®-7000現場可編程門陣列(FPGA) / ARM係統單芯片 (SoC)，適用於高端控製和基於人工智能(AI)的應用。USB也可通過Xilinx的開源項（xiàng）目PYNQ使用Python進行（háng）編程。UCB與Xilinx開發工（gōng）具和庫完全兼容，並與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（zhōng）低功率（lǜ）的智能功率模塊(IPM)到大功率的PIM，及（jí）輔助電源控製器、門極驅動器、功率MOSFET、運放、檢測等，和先進的（de）封裝技（jì）術，把這些技術整合（hé）到一個單一的生態係統中，開箱（xiāng）即用。

其中，基於IPM的方案主要用於最高10 kW的工業和（hé）家用電器電機驅（qū）動應用，提供在低EMI、安全穩定和可靠性及（jí）開關速度（dù）方麵很好的性能折中。IPM高度集成基板、功率開關、功（gōng）率二極管、門極（jí）驅動、無源器件等，可（kě）替代45至100個分立（lì）器件，有很好的故障容錯性，簡化的（de）熱管理，PCB板易於設計，內置隔離大於等於2 kW，保護功能包括過壓/欠壓鎖定（dìng），防擊穿和過流（liú）跳閘。安森美半導體的MDK當前（qián）支（zhī）持的SECO-1KW-MCTRL-GEVB和SECO-MDK-4KW-65SMP31-GEVB都使（shǐ）用IPM技術，分別適用於驅動最高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（jī）的（de）交（jiāo）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（liú）器、交錯式兩通道功率因數校（xiào）正 (PFC) 和NFAQ1060L36T IPM作為逆變器級，以及（jí）輔助電源、測量和保護。

SECO-4KW-65SPM31-GEVB驅動板采用NFAM5065L4B 650 V智能功（gōng）率模塊，額（é）定輸入電壓為400 VDC，可以提（tí）供高達1 kW的連續功率，並可以（yǐ）在短時間內或通過添加散熱（rè）器提供高（gāo）達4 kW的功率，非常適合工業驅動和商（shāng）業暖通空調和製冷 (HVACR) 應用。

基於TMPIM的方案用於達50 kW的（de）工業電（diàn）機（jī）應用，提供在設計（jì）靈活性、可靠性、熱（rè）性能和寬功率範圍的極佳性能折中，並具備前文所述的多個優勢（shì）。基於安森美半導體TMPIM技術的電源板將於2021年第一季度推出。

同時，安森美（měi）半導體也提供損耗仿真工具（jù）Powertrain和由經（jīng）驗數據構建的熱模（mó）型，幫助設計人（rén）員快速了（le）解（jiě）和比較每種選擇的熱性能和損耗並根據要求進行優化，從而進一步（bù）加（jiā）快（kuài）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（zhàng）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（cǎi）用創新工（gōng）藝（yì）、先進的厚（hòu）銅基板和環氧樹脂壓鑄（zhù）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（dù），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（tuī）終（zhōng）端逆變器係統（tǒng）更長的使用壽（shòu）命（mìng）及高可（kě）靠性。該模塊（kuài）用環氧樹脂模塑密封，背麵鍍鎳，可防止銅墊之（zhī）間形成枝晶，適合在某些腐蝕（shí）氣體工作環境下工作，引腳與散熱器（qì）電氣間隙（xì）6mm，符合IEC61800-5-1標準和UL1557標準 (E608861)。安森美半導體（tǐ）的MDK則（zé）提供一個結合硬件、軟件和TMPIM等功率模塊（kuài）的生態係統，為評估可變速電機逆變方（fāng）案提供（gòng）“開箱即用”的體驗，使原本複雜且耗時（shí）的電機驅動開發工作變得簡單，大（dà）大（dà）優化（huà）能效、運（yùn）營成（chéng）本和（hé）設（shè）計靈活性。

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