適用于受限空間的低剖面IPM—CIPOS? Nano IPM
針對受限空間的創(chuàng)新方案
當前很多應用設備安裝在空間受限的環(huán)境中，如PCB板內(nèi)置式電機等。由于空間有限，這類環(huán)境往往沒有空氣流動，也無法應用如散熱器等額外散熱裝置。在環(huán)境受限的應用中使用的產(chǎn)品需要留有足夠的熱裕量，并能夠有效地消除運行期間功率損耗導致環(huán)境溫度升高而產(chǎn)生的多余熱量。
在本文中，我們將主要介紹英飛凌的CIPOS? Nano IPM系列產(chǎn)品，該產(chǎn)品可通過PCB板散熱，從而能夠在空間受限的環(huán)境中工作。
圖1 PCB板內(nèi)置式電機的受限內(nèi)部空間單相 220 VAC的應用
一些小型電機將PCB安裝在電機本體內(nèi)以減小整體體積，這類電機主要用于空調(diào)室內(nèi)風機、吊扇、空氣凈化器或通風設備等應用場合，如圖2所示。在這些應用中，電機的普遍額定功率范圍為40~60W。
圖2 40~60W電機的典型應用場合
在這些應用中，電機通常處于很少或甚至沒有空氣的環(huán)境下運行，無法通過空氣對流來釋放熱量，器件需通過PCB板的表面進行散熱，因此當IPM在空間受限的環(huán)境中使用時，必須嚴格進行熱損耗計算。
圖3（a）描述了功率FET的熱量通過PCB板釋放的過程。IPM設計時應確保其連接到FET的引線框架能夠與PCB板直接接觸，使產(chǎn)生的熱量直接通過PCB板釋放。
英飛凌的小型3相CIPOSTM Nano IPM系列產(chǎn)品（12 x 12 x 0.9 mm3）因其優(yōu)異的散熱特性而被這類電機所采用，該產(chǎn)品將一個6通道柵極驅(qū)動器和6個MOSFET集成在同一個封裝內(nèi)，如圖3（b）所示。
由于220VAC電機驅(qū)動應用的母線電壓VDC為311V，額定電壓500V 的CIPOS? Nano IPM能滿足這類應用等電壓要求，同時其還具有過流保護功能，且故障消除時間可通過設置R和C的值來確定。
圖3（c）給出了一個無傳感器電機驅(qū)動系統(tǒng)的應用電路，該電路采用了英飛凌電機運動控制IC IRMCF171，其中IPM的故障輸出引腳連接到IRMCF171的GATEKILL引腳，允許控制器在發(fā)生故障時關(guān)閉所有的柵極控制信號。
圖3 （a）CIPOSTM Nano IPM通過PCB板直接散熱（b）12x12 mm2 PQFN封裝CIPOSTM Nano IPM（c）應用電路示例通過熱量測試測量功率容量
如上所述，CIPOS? Nano IPM產(chǎn)生的熱量需要通過PCB板來進行釋放，然而這需要通過熱測量進行驗證。圖4（a）給出了PCB布局和使用熱成像儀對其進行熱測量的結(jié)果。CIPOS? Nano IPM安裝在敷銅為1盎司的PCB板上，在環(huán)境溫度25℃且沒有氣流的環(huán)境中，采用不連續(xù)SVPWM方式運行時可輸出電流為500mA。在三相SVPWM運行方式中，該IPM的輸出電流高達480mA。此時，當開關(guān)頻率為6kHz時，輸出到電機的功率為65W左右，如圖4（b）所示。
圖4 （a）PCB布局和熱成像儀測量結(jié)果（b）PCB敷銅為1盎司時最大電機功率（c）PCB敷銅為1盎司時增加電機功率當使用PCB敷銅為2盎司時，可以獲得更大輸出電流。同樣采用6kHz的開關(guān)頻率，此時IPM的電流能力從500mA增加到580mA，同比增長16％。如果開關(guān)頻率為20kHz，模塊電流輸出能力可從370mA增加到460mA，增加23％。
為了獲得更大的電流輸出能力，可以將絕緣散熱膜直接應用于PCB板上。
圖5 （a）采用絕緣散熱膜PGS+SSM后的最大輸出功率（b）使用絕緣散熱膜后結(jié)溫從137℃降低到88℃如圖5（b）所示，在PCB板上使用40x40mm2絕緣散熱膜時，模塊結(jié)溫從137℃降至88℃。此時在6kHz的開關(guān)頻率下，模塊電流能力可從500mA增加到650mA，相對增加30％。而在開關(guān)頻率20kHz時，其電流能力可以從370mA增加到530mA，相對增加42％。
低壓風機及電池驅(qū)動型電機中的應用
某些電機應用中會采用額定電壓低于100VDC的低壓風機。這類風機通常由24V或48V的直流電源或電壓60V以下的電池來供電。對于這類應用，CIPOS? Nano IPM系列產(chǎn)品中的 40V/80A的IRSM005-800MA或100V/30A的IRSM005-301MA等半橋低壓IPM能夠滿足其需求。這類IPM的機械設計理念與前面所講的3相IPM相同，其引線框架與封裝表面（即PCB）之間也有著直接的熱接觸。
圖6（a）采用7x8 mm2 PQFN封裝的40V/80A和100V/30A 半橋式低壓CIPOS? Nano IPM （b）配有自舉二極管/電容和柵極電阻的應用電路使用IRSM005系列IPM進行設計時只需要在其外圍電路中增加一個自舉二極管、自舉電容和柵極電阻。通過對這些CIPOSTM Nano IPM系列產(chǎn)品進行靈活的半橋配置，可充分滿足單相應用、H橋或3相應用的需求。
結(jié)論
在本文中，我們已經(jīng)說明了PCB板內(nèi)置式電機在空間受限的環(huán)境中應用時克服缺少氣流和散熱器的經(jīng)過驗證的解決方案。在系統(tǒng)設計中需要留有足夠的熱裕量，且在過程中使用熱像儀或其他技術(shù)進行計算和測量。(英飛凌igbt廠家)
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