智能功率模块在电动机驱动逆变器中的应用与优势分析

在消费类和通用工业应用中，针对小型交流电动机的逆变器设计师面临着日益严格的效率、可靠性、尺寸和成本的挑战。传统上，许多小型逆变器设计采用离散功率器件封装，并结合实现接口、驱动和保护功能所需的辅助组件。

这种方法需要较大的复杂PCB设计，以满足驱动器和离散功率器件组合的所有间距和布局要求。另一个同样令人困惑的问题是，当驱动器和功率器件的特性未能正确匹配时，如何保持一致的性能和可靠性。解决这些问题的另一种方案是使用集成功率模块，该模块包含所有所需的功率器件，以及与低压和高压集成电路(LVIC & HVIC)匹配的门驱动器和保护功能。最终，完全集成的封装解决方案减少了库存管理，并缩短了组装时间，相比离散解决方案具有显著优势。

在其智能功率模块(IPM)方法取得成功的基础上，三菱电机于1997年首创了DIPIPM?概念，基于使用紧凑的转模引线框设计将裸功率芯片与LV/HVIC组合，从而在满足模块低成本需求的同时，保持优化且可靠的一致性性能。

三菱电机的产品系列，包括表面贴装的SP2SK模块和高电流额定的Large DIPIPM+，其转模IPM的功率范围覆盖了从数十瓦到超过12kW，如图1所示。

拓扑结构和保护功能

低功率范围内的硬开关电动机驱动器的拓扑结构相似。为了实现最佳的成本和可靠性，所使用的半导体数量应尽可能少。几乎所有类型的伺服驱动器、家电逆变器、风扇逆变器和泵逆变器的解决方案都是使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)的三相全桥。使用IGBT的优点在于其高阻断能力与较低的导通损耗，相比MOSFET技术具有更好的性能。图2显示了超级迷你DIPIPM?系列中使用的拓扑。

消费和工业产品市场变得越来越动态。智能家居技术和工业4.0(物联网)需求的趋势促使设计师迅速开发下一代逆变器，且更加经济高效。在这里，三菱电机的转模模块以其高度集成、易于实施和具竞争力的成本解决方案在市场上脱颖而出。它们因紧凑的模块轮廓和精心设计的引脚设计(具有良好的间隙和爬电距离)而能够缩小逆变器的体积。此外，具有不同系列的产品组合提供了设计可扩展平台逆变器的可能性，因为每个系列都有多个电流额定值可供选择。提供的600V和1200V的阻断电压覆盖了常用的单相和三相应用。具有2.5kV(SP2SK模块为1.5kV)额定隔离热接口的UL认证以及低热阻，使用户安全设计的工作量降低，同时满足工业使用的更高要求。此外，模块中使用有机材料大幅降低了机械应力，因为与陶瓷材料相比，其热膨胀系数更好匹配。对于高功率额定值，模块内还模制了额外的内部散热片，以改善热分布。

三菱电机的模块由六个IGBT和单独的自由轮回二极管或六个反导电IGBT(RC-IGBT)组成。为了便于对IGBT的控制，集成了一个或三个高侧驱动IC、一个低侧驱动IC，并根据系列情况集成三个带有电流限制电阻的引导二极管。由于与HVIC集成的电平转换器，三菱电机的转模模块可以通过单一的15V电源供电，并且可以直接由MCU控制，而无需进行高侧开关的电隔离。所有芯片都直接安装在引线框上，而不使用模块内部的PCB，从而提供市场领先的使用寿命性能。

低侧IGBT的发射极是开放的，允许通过使用分流电阻实现对每个电动机相的独立电流测量。通过独立检测三相电流，可以在用户的控制框架中使用最先进的无位置传感器机器控制。电流测量分流器的输出信号还用于内部短路保护，防止模块在短路安全工作区域(SCSOA)外操作。此外，模块集成了具有线性温度-电压依赖性的温度输出，便于实现状态监测，并提供集成动态控制降额和可选的过温保护的可能性。

所有离开生产线的三菱电机转模模块都经过静态和动态电气特性的测试，并进行带有电感负载的功能测试，以确保所交付产品的高质量。所有结果都记录在工厂的单独的终端测试报告中。

封装

电动机逆变器在各种应用中都能找到。三菱电机提供不同的封装，因此可以为每种需求提供最佳解决方案。

外形最小的模块是表面贴装的SP2SK模块。除了DIPIPM系列的常见保护功能外，模块还集成了联锁保护，防止高低侧开关同时导通造成的短路。由于使用RC-IGBT技术，该模块的紧凑性使其非常适合于功率较低的单相应用，如洗碗机或风扇。

如果目标是更高的功率额定值，SLIMDIP封装是最佳选择。它与SP2SK模块使用相同的RC-IGBT技术，提供出色的紧凑性，采用通孔技术。它满足家用电器中价格敏感的平台逆变器的需求，功率范围在0.5kW到1.5kW之间，结合精心设计的引脚，显著缩短了产品上市时间。

采用Super Mini DIPIPM封装，三菱电机为转模IPM模块设定了市场标准。它覆盖了广泛的电流额定值，允许精确选择最适合的模块。作为亮点，除了选择硅IGBT和硅MOSFET模型外，还有两款基于三菱电机长期经验的SiC MOSFET模块可供选择。

Mini DIPIPM封装由于其更大的封装，允许更好的散热，因此具备更高的功率额定值。此外，增大的引脚间距允许某些型号使用1200V IGBT。

Large DIPIPM?封装旨在满足高功率逆变器的需求，适用于空间有限且优先考虑PCB设计的情况。提供600V和1200V的阻断电压，以及广泛的电流范围。

DIPIPM+和大型DIPIPM+是最新的开发之一。基于三菱电机的经验和知识，该封装包含三相整流器、三相全桥和可选的刹车IGBT。凭借最高水平的集成度和紧凑性，它为用户提供了最完整的解决方案，缩短了组件决策过程和使用寿命评估。