當前消費電子產(chǎn)品技術(shù)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(chǎn)品設(shè)計中關(guān)注的焦點，高效節(jié)能已是大勢所趨,。作為電子設(shè)計的關(guān)鍵元器件，半導體產(chǎn)品發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。工程師通過對半導體器件的材料,、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不同設(shè)計，為各種應用需求提供相應的解決方案,。
與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的空調(diào),、電冰箱、洗衣機等白家電產(chǎn)品,，在設(shè)計中需要考慮到尺寸,、能效、成本及外觀設(shè)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(zhuǎn)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(shù)(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(chǎn)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(chǎn)品獎中的兩個獎項：“Top 10電源產(chǎn)品獎”及“技術(shù)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(shù)（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(shù)的公司,。IMST技術(shù)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(shù)具有7大技術(shù)優(yōu)勢,，包括：易于集成和減少元件數(shù)量以降低總成本,、內(nèi)置外圍電路簡化PCB設(shè)計以縮短終端產(chǎn)品的設(shè)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(shù)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(qū)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(qū)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(chǎn)品陣容,。
圖1：基于IMST技術(shù)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(diào)
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(zhuǎn)換器和3相變頻器（STK551-xxx系列、STK554-xxx系列為壓縮電機提供驅(qū)動,，STK5C4Uxxx系列為風扇電機提供驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)換器,、三相變頻器輸出段、預驅(qū)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(chǔ)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上去掉二極管整流橋,，使得反應器尺寸減小40%，交流-直流轉(zhuǎn)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(diào)為例，當采用分立結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)比分立結(jié)構(gòu)提供更高的工作頻率,，交錯式PFC系統(tǒng)總損耗比分立結(jié)構(gòu)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(shè)計,，便于采用模塊化的方案，縮短設(shè)計周期,，降低開發(fā)成本,。集成度更高的二合一IPM結(jié)構(gòu)可將升壓線圈布設(shè)在電路板上，降低了組裝成本,，而且由于拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的79%,、33%和20%,，系統(tǒng)總成本由分立結(jié)構(gòu)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(jié)
安森美半導體創(chuàng)新的IMST技術(shù)可靠且性價比高,，同時提供高能效和低噪聲,，而基于此技術(shù)更進一步的二合一IPM STK57FU/5MFU，由于在單個封裝中集成PFC轉(zhuǎn)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(guān)鍵特性包括：內(nèi)置過流保護和過壓保護功能、內(nèi)置熱敏電阻可監(jiān)測溫度,、能夠使用內(nèi)置IPM的啟動電路來實現(xiàn)單電源驅(qū)動,、內(nèi)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。