可促进改善功率级电路设计的集成功率模块的研究

改善洗衣机、电冰箱以及空调等家用电器能源使用效率的需求正在增加。从传统的固定转速马达转换到变速马达可以节省能耗30%之多。但这种设计的难度较大，虽已经出现了几种方案来降低此类项目的数字设计工作难度，但是设计人员仍需要集成模块和相关的设计工具来促进功率级的设计。

为了使低成本变速马达控制器成为可能，元器件供应商设法通过简化设计和降低结构复杂度来减少变速控制器的成本。例如，已经出现了几种数字信号控制平台，它们结合了DSP和集成PWM和马达控制外围设备的RISC处理器。这些平台可运行第三方或者自行开发的马达控制算法。

同时，也存在其他的解决方案，可直接用硬件实现马达控制算法，这样能消除软件开发和集成难题，也加速了算法的执行速度，进而增强了对转矩和速度的控制。

无论倾向于哪种方案，数字控制的难题现在都可以很快地解决掉。但是，还存在设计和集成功率级的障碍。设计一个合适的逆变器、门驱动电路以及相关的保护电路需要丰富的功率电子设计经验。

集成功率模块

集成功率模块（IPM）将前面提到的所有元件组合到一个单元中，减少了设计时间并带来附加好处，包括元件数量的减少和可靠性的增加。

IPM吸收了许多工程成果，这些成果都与动作控制应用中采用的复杂功率系统设计相关。例如，门阻抗针对较低的EMI噪声和功率损失进行了预优化，并集成了阴极负载二极管和电阻来驱动高压侧IGBT。

通过最小化寄生效应导致的损耗并最大化热性能，内置过电流保护和高温保护，驱动布局的难题也得到了处理。工程师只需要为应用选择合适的IPM即可。

不过，这些工作也是十分艰巨的。IPM在系统中的性能取决于许多与应用有关的参数，比如开关频率、调变指数以及模块外壳温度。数据单提供了一些指导，但是通常是对标准工作情况而言。设计人员需要额外的帮助来预测其在特定应用中的性能。

为了选择合适的IPM，工程师从应用的相关信息出发。例如，考虑一个均方根相电流为3A，开关频率为16kHz下工作的洗衣机控制器，其总线电压是直流320V。如果希望增强的可靠性成为最终产品的卖点，那么可以将指定的最大结温度设定为远低于模块供应商所推荐的限制温度，比如125℃。

额定电流，散热电阻

IPM有许多的额定电流可选择，且可能有多个选择适用于这个应用。不过，因为每个模块在给定的工作条件下有不同的功率损耗，用来保持结温度不超过125℃所需的散热电阻也会不同。计算所需的散热电阻（Rth）需要运用与IPM热学和电学特性有关的复杂知识，来确定传导和开关损耗，并基于这些数据预测结温度。

尽管对稳态情况建模相对简单，但实际的功率损耗却并不是常量。在工作中，结温度会波动到稳态平均以外，因为功率损耗会以与逆变器调制频率相等的基频变化。

另一个重要的方面是相互加热，因为IPM内部的多个热源共享从外壳到环境的通道。如果希望IPM的模型精确，这个效应必须考虑进去。

建模工具

IPM功率模块的详细模型在确认和选择合适的模块时有重要的作用。模块供应商通常提供定制的工具，用来分析现有模块的电气和热学模型。

这些工具可以用来生成一系列性能曲线，以描述IPM在用户输入情况下的行为。通常，这些工具允许用户更改开关频率、功率因数以及调变指数等参数来获得指定应用条件下的性能曲线。

图1 设计工具生成的功率损耗与相电流以及外壳温度

这些工具通常允许用户生成有用的信息来简化IPM的选择。进行功率损耗分析，用于生成功率损耗与开关频率的曲线；进行元器件对比，用于生成功率损耗和外壳温度的曲线以供选择散热电阻之用。

考虑前面的设计示例，建模工具可以用来计算所需的散热电阻Rth。图1显示了某个常见工具的元器件对比分析结果，同时显示了这个应用中逆变器的功率损耗以及最高的散热温度。

在均方根为3A时，6A模块和10A模块的功率损耗分别是31W和21W。6A和10A模块的最大允许外壳温度分别是84℃和99℃。所需的散热电阻计算如下：

Rth（S-A） =（TC-TA）/P-Rth（C-S）

计算表明，较小的IPM需要较大的散热电阻。最后的选择将根据包括IPM和散热在内的整个系统的成本和尺寸。

同样的方法可以用来为空调应用选择IPM。通常，这需要结合400V的直流总线和PFC前端。开关频率将低于洗衣机应用，以减少EMI噪声。如果在6kHz开关频率时需要均方根10A的电流，工具可以在16A和20A IPM之间权衡。

图2 在各种不同开关频率处最大输出电流

图3 功率损耗与开关频率

这个工具也可以用来分析调变指数、开关频率、散热温度以及功率因数对模块的额定电流的影响。例如，这个工具可以用来研究IPM在不同开关频率时的最大马达电流和功率损耗，如图2和图3所示。在每种类型分析中，选择3个部分会显示在较大的开关频率下，功率损耗会增加而最大电流会减少。

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