智能功率模塊(IPM)是設(shè)計(jì)師在低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中的首選，特別是在成本和尺寸限制較緊的情況下。一項(xiàng)關(guān)于模塊在不同運(yùn)行條件下熱性能的新研究，幫助設(shè)計(jì)師準(zhǔn)確預(yù)測(cè)運(yùn)行溫度、功率和PCB設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)最佳的可靠性、成本和尺寸。

使用智能功率模塊設(shè)計(jì)

在家用電器和輕工業(yè)驅(qū)動(dòng)中使用的電機(jī)控制器通常采用包含使用HVIC技術(shù)構(gòu)建的門驅(qū)動(dòng)器、配置為半橋或三相橋的功率開關(guān)以及保護(hù)組件的智能功率模塊。

該模塊直接連接電機(jī)和托管電機(jī)控制算法的處理器，并取代了根據(jù)配置可能高達(dá)30個(gè)或更多的離散組件。作為一種集成解決方案，智能功率模塊不僅簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了材料成本，節(jié)省了PCB空間，還提高了可靠性并有助于減少電磁干擾(EMI)。

在大多數(shù)應(yīng)用中，該模塊旨在無(wú)需散熱器即可運(yùn)行。這進(jìn)一步降低了材料成本并簡(jiǎn)化了組裝。然而，需要仔細(xì)的熱設(shè)計(jì)來(lái)確保模塊在最大負(fù)載下能夠維持適當(dāng)?shù)姆€(wěn)態(tài)溫度，從而使系統(tǒng)滿足最低可靠性目標(biāo)。

IR的μIPM?模塊廣泛應(yīng)用于無(wú)散熱器的逆變器中，用于HVAC設(shè)備、風(fēng)扇、泵、壓縮機(jī)和高達(dá)150W-250W功率等級(jí)的變速驅(qū)動(dòng)。這些模塊采用12mm x 12mm或8mm x 9mm的PQFN封裝，設(shè)計(jì)用于通過(guò)大型電氣接觸焊接在PCB上散熱。

PCB銅線徑的大小和厚度對(duì)散發(fā)到環(huán)境中的熱量有重要影響，從而影響模塊的穩(wěn)態(tài)溫度。規(guī)格不足的這些線徑會(huì)損害可靠性，而規(guī)格過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致解決方案比實(shí)際需要的更大且更昂貴。

通過(guò)設(shè)計(jì)一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，允許在不同功率等級(jí)和各種PCB設(shè)計(jì)下測(cè)量μIPM的穩(wěn)態(tài)溫度，IR開發(fā)了一組溫度與功率曲線，為電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師提供了準(zhǔn)確的參考。使用這些曲線可以幫助優(yōu)化熱設(shè)計(jì)、功率等級(jí)和模塊運(yùn)行溫度，以滿足任何特定應(yīng)用的成本、尺寸和可靠性限制。

IPM溫度與功率的實(shí)驗(yàn)設(shè)置繪圖

通過(guò)連接IPM，使已知電流注入構(gòu)成一個(gè)逆變器腿的兩個(gè)MOSFET的體二極管，并改變電流，可以檢查PCB金屬化、模塊運(yùn)行溫度和功率耗散之間的關(guān)系。兩個(gè)二極管之間的電壓降等同于模塊上的電壓降。因此，測(cè)量此電壓可以計(jì)算模塊的功率耗散。圖1中的電路圖顯示了測(cè)試設(shè)置的簡(jiǎn)化版本。

使用這種方法而不是分析在驅(qū)動(dòng)實(shí)際負(fù)載如電機(jī)時(shí)的逆變器的優(yōu)勢(shì)之一是它的簡(jiǎn)單性。實(shí)驗(yàn)易于設(shè)置和控制，消除了寄生電感和電容、電壓和電流尖峰以及噪音等影響。由于實(shí)驗(yàn)的目的是誘導(dǎo)并測(cè)量功率耗散變化引起的溫度變化，直流電流注入的方法及這些影響的缺失不會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

使用六種不同大小和厚度的PCB金屬化對(duì)熱性能進(jìn)行評(píng)估。表1列出了測(cè)試的金屬化模式。

結(jié)果

對(duì)于每種PCB設(shè)計(jì)，改變注入到逆變器腿的體二極管的電流，并記錄測(cè)試電流和電壓以及模塊的盒溫和環(huán)境溫度，允許分析功率耗散、PCB設(shè)計(jì)和運(yùn)行溫度之間的關(guān)系。圖2的圖表繪制了在功率耗散下測(cè)量的盒溫和環(huán)境之間的溫差(ΔTc-a)。由于PQFN封裝的結(jié)-盒熱阻(RTHj-c)非常低，大約為2.2°C/W，可以假設(shè)在穩(wěn)態(tài)條件下盒溫等于結(jié)溫(Tc=Tj)。

如果模塊用作風(fēng)扇控制系統(tǒng)的一部分，風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)可能對(duì)模塊表面有一定的冷卻作用。在熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)期間也應(yīng)考慮這一點(diǎn)。為了評(píng)估這種類型的應(yīng)用的性能，測(cè)試板被放置在一個(gè)封閉的箱子里，并在模塊表面測(cè)量0.8m/s至1.2m/s的氣流。氣流速度使用風(fēng)速計(jì)測(cè)量。圖3比較了兩種PCB金屬化模式的性能，有無(wú)風(fēng)扇冷卻。

熱容量

能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)在開機(jī)后直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度的熱性能通常是可取的。為了評(píng)估這種瞬態(tài)熱性能，系統(tǒng)可以被建模為串聯(lián)的熱阻和熱容。然后可以計(jì)算系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，從而預(yù)測(cè)開機(jī)到達(dá)穩(wěn)態(tài)之間任何時(shí)間的盒溫。

使用具有最小金屬化面積的測(cè)試PCB設(shè)計(jì)，應(yīng)用了注入電流的階躍變化，從階躍應(yīng)用開始直至溫度穩(wěn)定，記錄了模塊盒溫。由于在初始和最終溫度下的RTH值已知，測(cè)量時(shí)間常數(shù)(Tau)允許計(jì)算熱容Cth。圖4說(shuō)明了從應(yīng)用電流階躍到達(dá)到穩(wěn)態(tài)的完整系統(tǒng)的熱時(shí)間常數(shù)。

結(jié)論

在許多低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用的智能功率模塊被封裝在結(jié)合了高熱效率和小外形尺寸的高級(jí)封裝中。由于模塊通常旨在無(wú)需散熱器使用，PCB走線提供的熱散發(fā)對(duì)功率等級(jí)和可靠性有關(guān)鍵影響。

通過(guò)對(duì)使用各種PCB設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)建模其穩(wěn)態(tài)熱性能和熱容量，生成了一組圖表，可以用來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)行為，使工程師能夠?qū)⒏?jīng)濟(jì)、更可靠的解決方案推向市場(chǎng)。