與分離方案相比,智能功率模組(IPM)在減少占板空間、提升系統可靠性、簡化設計和加速產品上市等方面都具有無可比擬的優勢。在不同的應用中,IPM需要採用不同的晶圓技術和封裝技術以儘量減小熱阻,降低導通損耗和開關損耗,同時確保高整合度、高開關速度、高能效、高可靠性和出色的EMI性能。這就對半導體廠商的矽和封裝技術能力提出了更高的要求。

致力於推動高能效電子創新的安森美半導體在矽和封裝技術領域處於領導地位,能夠提供同類最佳的 IPM,產品陣容覆蓋20 W到10 KW不同功率等級,在能效、尺寸、成本、可靠性等方面都具有顯著優勢,因而能夠滿足工業、汽車、消費等不同應用的需求。

600 V及1200 V高功率的工業IPM方案

工業IPM主要應用於工業壓縮機、泵、可變頻驅動、電動工具等。預計此類市場未來3年的複合年增率(CAGR)為5.1%,增長較快,這主要歸結於人工成本的不斷上漲導致企業實現自動化的需求日趨強烈,而各項能源法規及測試標準如ErP、IEC、GB3等對能效的要求日趨嚴格。

安森美半導體是市場上能同時提供600 V及1200 V高功率IPM方案的數一數二的供應商,主要系列有SPM45、SPM3、SPM2、SIP系列。除了現有的第三、四代場截止IGBT技術,還即將推出採用SiC、GaN的模組。

SPM3系列主要應用於高功率空調、工業變頻器、工業泵和工業風扇等,這些模組整合了內置 IGBT 已優化的閘極驅動,使用 Al2O3陶瓷基板實現極低熱阻,從而優化EMI性能和最小化損耗,同時提供欠壓鎖定、過流關斷和故障報告等多種保護特性。內置高速 HVIC 僅需要單電源電壓並將收到的邏輯電位閘極輸入訊號轉換為高電壓、高電流驅動訊號,從而有效驅動模組的內部 IGBT。其中1200 V系列主要針對要求小型化的3相變頻器應用,目前已量產的如FSBB10CH120D,額定輸出為10 A,後續將推出額定輸出為15 A、20 A的型號。而600 V系列則涵蓋更寬廣的功率範圍,目前可從15 A至30 A,如FSBB15CH60D(15 A)、FSBB20CH60D(20 A)、FNB33060T(30 A),同樣封裝的IPM已經擴展達到50 A。

相對於SPM3系列,SPM2 系列封裝占位更大,熱阻更小,功率範圍更廣。其中1200 V系列包括FNA21012A(10 A)、FNA22512A(25 A)、FNA23512A(35 A),滿足小型化要求和高壓趨勢。而600 V系列如FNA23060(30 A)、FNA25060(50 A)、FNA27560(75 A)則更適合對可靠性要求較高、對體積不那麼敏感的應用。

而簡潔的單列直插式封裝(SIP) IPM系列則將控制、驅動和輸出放到單邊,有利於節省空間和提升散熱性。

汽車IPM實現高功率密度和加速應用上市

隨著新的燃油經濟性標準和日趨嚴格的環境法規的推出,電動汽車(EV)/混合動力汽車(HEV)迎來高速發展,汽車功能電子化趨勢日益增強,汽車電子市場未來3年CAGR預計將達19%,增長潛力巨大。

安森美半導體針對汽車市場提供的中壓IPM(電池電壓400VV供電)包括:(1)整合閘極驅動器、微控制器(MCU)、功率矽和週邊元件的無感測器驅動方案;(2)實現高性能、低雜訊及高可靠性的無PCB方案;(3)標準產品和定制的IPM,用於電動水泵、電動油泵、電動燃油泵和電動冷卻風扇等等。

為了應對汽車電子更精密、更高性能和能效的趨勢,安森美半導體作為全球前10大汽車半導體供應商,提供行業最簡潔的IPM模組APM 27系列,用於 混合動力和電動汽車中控制空調(A/C)壓縮機和其他高壓輔助馬達。如該系列目前已量產的650 V、50 A FAM65V05DF1獨特地整合IGBT、續流二極體和閘極驅動器在一個12 cm2的汽車級占位封裝中,比由多種分離元件組裝的方案小達40%,同時提高應用的性能和能效,降低成本。該元件大大簡化和縮短用於A/C壓縮機和油泵的高壓汽車輔助變頻器的電源段的設計流程,使設計人員可以專注於創新,加速面市。

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圖1: 行業最簡潔的汽車IPM模組FAM65V05DF1

消費IPM方案具備同類最佳矽系列和封裝技術

IPM由於小尺寸、高能效和高可靠性等優勢,在白家電如空調、洗衣機、冰箱、風扇馬達、烘乾機、洗碗機等應用中已相當受歡迎。

1. 用於400 W以下消費應用的IPM

對於功率在400 W以下的應用,由於量大,屬於成本敏感的市場,要求簡潔、高能效,安森美半導體利用同類最佳的矽系列及封裝技術,提供SPM8、SPM55、SPM5等IPM系列,滿足市場趨勢和不同應用需求。

SPM8 系列採用第三代溝槽場截止技術,內置豐富的保護特性,且可實現簡潔的尺寸,主要適用於冰箱及空調風扇。目前量產的有600 V、5 A的FNB80560T和600 V、10 A的FNB81060T。

簡潔型IPM STK5C4U332J-E、STK5Q4U352J-E、STK5Q4U362J-E採用絕緣金屬基板(IMS)或DBC,實現低熱阻和高功率密度,尤其適合洗衣機應用。

SPM5 系列如下表所示,從50 W至200 W不等,主要針對空調風扇、洗碗機等應用。其中SF型號具備極低導通電阻,B型號優化用於載波頻率超過15 kHz的應用,而A型號則為常規版本。

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表1:SPM 5 系列IPM

2.用於400 W至4 KW消費應用的IPM

對於功率等級更高的應用, EMI性能及熱性能極為關鍵,同時又需要兼顧高整合度。安森美半導體提供單個占位封裝SPM45、SPM3系列和高整合度封裝二合一PFC系列的IPM,具有穩固的EMI性能及優化的導通特性,出色的Rth(j-c)及利用直接覆銅(DBC)、陶瓷基板實現優異的絕緣性能,並採用第三代、第四代場截止技術用於快速PFC方案。

SPM45系列將低損耗短路額定 IGBT 與優化後的閘極驅動器整合到單個完全隔離的封裝中,內置熱敏電阻可實現溫度監測,高低端整合欠壓閉鎖功能、及過流保護輸入進一步增強了系統的可靠性,尤其適用於1HP至3HP空調。其中FNA、FNB系列分別針對低頻和高頻應用,FNC則為經濟型系列,客戶可根據應用的具體需求選擇適合的型號。

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表2:SPM45系列IPM

二合一PFC IPM STK57FU394AG-E (15 A) 和STK5MFU3C1A-E (30 A)在單個簡潔的封裝內整合一個PFC轉換器、3相逆變輸出段、預驅動電路和保護,用於1HP至3HP空調。內置防跨導電路,減小由雜訊引起系統故障的可能,以及為逆變器及PFC段提供過流保護。欠壓鎖定確保在異常情況下IGBT閘極關斷,外部可訪問的嵌入式熱敏電阻用於絕緣金屬基板的高精度溫度監測。高度整合的封裝有助於減少元件、節省空間和成本,簡化和加速設計。

此外,針對白家電廠家,安森美半導體還提供PFCM系列IPM。該系列IPM高度整合橋二極體、功率元件到單個封裝中,可節省更多的空間,便於安裝。內置 NTC 熱敏電阻實現溫度監控,熱阻極低,採用無橋式PFC、單相升壓PFC和兩相交錯式PFC三種不同的拓撲結構。

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表3:PFCM系列IPM

總結

安森美半導體專注於高功率領域如空調(HVAC)、汽車、工業級等,藉由領先的矽技術和優化的封裝,針對每一應用提供適當的IPM方案,確保高整合度、高功率密度、出色的熱性能、優化的導通損耗和開關損耗、優異的耐用性,尤其是封裝具有更大沿面距離/間隙,適用於高電壓應用。此外,針對消費領域,安森美半導體提供的元件和方案超越家電應用的低成本和高能效要求,幫助客戶提高產品長期可靠性、品質和效率。

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