當前消費電子產品技術日新月異，同時綠色、環(huán)保,、節(jié)能的思想也逐漸深入人心，能效問題日益成為產品設計中關注的焦點,，高效節(jié)能已是大勢所趨。作為電子設計的關鍵元器件,，半導體產品發(fā)揮著至關重要的作用,。工程師通過對半導體器件的材料、結構,、工藝等方面的不同設計,，為各種應用需求提供相應的解決方案。
與我們日常生活密切相關的空調、電冰箱,、洗衣機等白家電產品,，在設計中需要考慮到尺寸、能效,、成本及外觀設計等因素,。推動高能效創(chuàng)新的安森美半導體開發(fā)出緊湊的變頻器智能功率模塊(IPM)，以及集成功率因數(shù)校正（PFC）轉換器及三相變頻器的“二合一”IPM,，采用獨特的絕緣金屬基板技術(IMST®),，可靠、性價比高,，同時提供高能效和低噪聲,，極適合白家電產品應用。其二合一IPM STK57FU391A-E獲得今日電子與21ic.com聯(lián)合舉辦的中國第十二屆年度TOP-10電源產品獎中的兩個獎項：“Top 10電源產品獎”及“技術突破獎”,，彰顯安森美半導體推動高能效創(chuàng)新的實力。
安森美半導體獨特的絕緣金屬基板技術（IMST）
安森美半導體是全球首家開發(fā)出變頻器IPM使用IMST技術的公司,。IMST技術采用低熱阻,、高導熱的絕緣材料將銅箔和金屬基板即鋁基板壓合在一起，金屬的高熱傳導率使功率輸出電路,、控制電路及模塊外圍電路能夠貼裝在同一基板上,。此技術具有7大技術優(yōu)勢，包括：易于集成和減少元件數(shù)量以降低總成本,、內置外圍電路簡化PCB設計以縮短終端產品的設計時間,、提供更靈敏更高精度的溫度檢測以實現(xiàn)更可靠的散熱保護、噪聲抑制,、降低浪涌電壓,、提升能效和降低能耗，以及單列直插式 (SIP) 型封裝優(yōu)勢,。
基于IMST的IPM模塊
安森美半導體基于IMST技術的IPM模塊,，型號包含單分流電阻型和3分流電阻型（如表一所示），它將高壓IC (HVIC),、高擊穿電壓及大電流IGBT,、快速恢復二極管、門極電阻,、用于驅動上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動二極管,、用于檢測發(fā)熱的熱敏電阻、用于過流保護的分流電阻等元器件高密度貼裝封裝在一起 (如圖1所示),，能驅動從10 A至50 A輸出負載電流,，提供低損耗、低噪聲。
表1：安森美半導體IPM模塊產品陣容,。
圖1：基于IMST技術的IPM模塊集成多種元器件,。
集成PFC及3相逆變的二合一IPM應用于變頻空調
因應減小尺寸并提升能效的趨勢，安森美半導體IPM已發(fā)展至下一代高能效二合一IPM,，其 STK57F-3xx系列IPM將升壓PFC轉換器和3相變頻器（STK551-xxx系列,、STK554-xxx系列為壓縮電機提供驅動，STK5C4Uxxx系列為風扇電機提供驅動）合二為一（參見圖2）,，不僅提供高能效電路,，還大幅減少元器件數(shù)量，節(jié)省PCB占用空間,，縮短開發(fā)時間,，降低組裝成本，加快上市進程,。
圖2. 安森美半導體用于變頻空調的二合一 IPM,。
安森美半導體開發(fā)適用于更大電流、更高功率應用的交錯式PFC二合一IPM,。見圖3,，它在單個封裝中集成交錯式PFC轉換器、三相變頻器輸出段,、預驅動電路以及保護電路,。交錯式PFC是在原本單個較大功率PFC段的地方并行放置2個功率為一半的較小功率PFC段來替代。這兩個較小的PFC段以180°的相移交替工作,，它們在輸入端或輸出端累加時,，每相電流紋波的主要部分將抵消。
圖3. 交錯式PFC二合一IPM,。
高能效單相PFC應用途徑包括：連續(xù)導電模式（CCM）升壓PFC,，交錯式PFC和無橋交錯式PFC。CCM升壓PFC電路作為我們的基礎電路,，交錯式PFC實際就是2個升壓電路并聯(lián),，MOS管交錯導通。雖然和CCM升壓PFC產生相同的二極管橋損耗,，但是交錯式PFC可分散電源從而提升能效,，而無橋交錯式PFC在交錯式PFC結構的基礎上去掉二極管整流橋，使得反應器尺寸減小40%,，交流-直流轉換損耗減少50%,，參見圖4。
圖4. 高能效單相PFC應用途徑,。
二合一IPM vs.其它方案
以變頻空調為例,，當采用分立結構時,，電路元器件總數(shù)量高達15個，所占PCB面積達121.2 cm2,，而二合一IPM結構集成度更高,，元器件總數(shù)量減少至6個，所占PCB面積減小至87.5 cm2,。
同等工作條件下（以輸入電壓220 V,，功率4 kW為例，見圖5）,，二合一IPM結構比分立結構提供更高的工作頻率,，交錯式PFC系統(tǒng)總損耗比分立結構減少28.1 W，而無橋交錯式PFC將系統(tǒng)總損耗降低38%,。成本方面,，更小的尺寸更易于設計，便于采用模塊化的方案,，縮短設計周期,，降低開發(fā)成本。集成度更高的二合一IPM結構可將升壓線圈布設在電路板上,，降低了組裝成本,，而且由于拓撲結構不同，普通的升壓PFC二合一IPM,、交錯式PFC二合一IPM和無橋交錯式PFC二合一IPM的磁芯尺寸依次縮小至分立結構的79%、33%和20%,，系統(tǒng)總成本由分立結構的29.7美元依次縮減至28.7美元,、28.6美元、28.3美元,。
圖5. 用于PFC系統(tǒng)的PFC總損耗及成本比較,。
總結
安森美半導體創(chuàng)新的IMST技術可靠且性價比高，同時提供高能效和低噪聲,，而基于此技術更進一步的二合一IPM STK57FU/5MFU,，由于在單個封裝中集成PFC轉換器和變頻器，大幅減少元器件數(shù)量,，減少PCB所占空間,，降低組裝成本，降低能耗并提升能效,。其關鍵特性包括：內置過流保護和過壓保護功能,、內置熱敏電阻可監(jiān)測溫度、能夠使用內置IPM的啟動電路來實現(xiàn)單電源驅動,、內置防止上邊/下邊晶體管同時導通的電路,，是白家電應用的理想方案,。
供稿：安森美半導體