可促進(jìn)改善功率級電路設(shè)計的集成功率模塊的研究

改善洗衣機(jī)、電冰箱以及空調(diào)等家用電器能源使用效率的需求正在增加。從傳統(tǒng)的固定轉(zhuǎn)速馬達(dá)轉(zhuǎn)換到變速馬達(dá)可以節(jié)省能耗30%之多。但這種設(shè)計的難度較大，雖已經(jīng)出現(xiàn)了幾種方案來降低此類項目的數(shù)字設(shè)計工作難度，但是設(shè)計人員仍需要集成模塊和相關(guān)的設(shè)計工具來促進(jìn)功率級的設(shè)計。

為了使低成本變速馬達(dá)控制器成為可能，元器件供應(yīng)商設(shè)法通過簡化設(shè)計和降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜度來減少變速控制器的成本。例如，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種數(shù)字信號控制平臺，它們結(jié)合了DSP和集成PWM和馬達(dá)控制外圍設(shè)備的RISC處理器。這些平臺可運(yùn)行第三方或者自行開發(fā)的馬達(dá)控制算法。

同時，也存在其他的解決方案，可直接用硬件實(shí)現(xiàn)馬達(dá)控制算法，這樣能消除軟件開發(fā)和集成難題，也加速了算法的執(zhí)行速度，進(jìn)而增強(qiáng)了對轉(zhuǎn)矩和速度的控制。

無論傾向于哪種方案，數(shù)字控制的難題現(xiàn)在都可以很快地解決掉。但是，還存在設(shè)計和集成功率級的障礙。設(shè)計一個合適的逆變器、門驅(qū)動電路以及相關(guān)的保護(hù)電路需要豐富的功率電子設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。

集成功率模塊

集成功率模塊（IPM）將前面提到的所有元件組合到一個單元中，減少了設(shè)計時間并帶來附加好處，包括元件數(shù)量的減少和可靠性的增加。

IPM吸收了許多工程成果，這些成果都與動作控制應(yīng)用中采用的復(fù)雜功率系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)。例如，門阻抗針對較低的EMI噪聲和功率損失進(jìn)行了預(yù)優(yōu)化，并集成了陰極負(fù)載二極管和電阻來驅(qū)動高壓側(cè)IGBT。

通過最小化寄生效應(yīng)導(dǎo)致的損耗并最大化熱性能，內(nèi)置過電流保護(hù)和高溫保護(hù)，驅(qū)動布局的難題也得到了處理。工程師只需要為應(yīng)用選擇合適的IPM即可。

不過，這些工作也是十分艱巨的。IPM在系統(tǒng)中的性能取決于許多與應(yīng)用有關(guān)的參數(shù)，比如開關(guān)頻率、調(diào)變指數(shù)以及模塊外殼溫度。數(shù)據(jù)單提供了一些指導(dǎo)，但是通常是對標(biāo)準(zhǔn)工作情況而言。設(shè)計人員需要額外的幫助來預(yù)測其在特定應(yīng)用中的性能。

為了選擇合適的IPM，工程師從應(yīng)用的相關(guān)信息出發(fā)。例如，考慮一個均方根相電流為3A，開關(guān)頻率為16kHz下工作的洗衣機(jī)控制器，其總線電壓是直流320V。如果希望增強(qiáng)的可靠性成為最終產(chǎn)品的賣點(diǎn)，那么可以將指定的最大結(jié)溫度設(shè)定為遠(yuǎn)低于模塊供應(yīng)商所推薦的限制溫度，比如125℃。

額定電流，散熱電阻

IPM有許多的額定電流可選擇，且可能有多個選擇適用于這個應(yīng)用。不過，因?yàn)槊總€模塊在給定的工作條件下有不同的功率損耗，用來保持結(jié)溫度不超過125℃所需的散熱電阻也會不同。計算所需的散熱電阻（Rth）需要運(yùn)用與IPM熱學(xué)和電學(xué)特性有關(guān)的復(fù)雜知識，來確定傳導(dǎo)和開關(guān)損耗，并基于這些數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)溫度。

盡管對穩(wěn)態(tài)情況建模相對簡單，但實(shí)際的功率損耗卻并不是常量。在工作中，結(jié)溫度會波動到穩(wěn)態(tài)平均以外，因?yàn)楣β蕮p耗會以與逆變器調(diào)制頻率相等的基頻變化。

另一個重要的方面是相互加熱，因?yàn)镮PM內(nèi)部的多個熱源共享從外殼到環(huán)境的通道。如果希望IPM的模型精確，這個效應(yīng)必須考慮進(jìn)去。

建模工具

IPM功率模塊的詳細(xì)模型在確認(rèn)和選擇合適的模塊時有重要的作用。模塊供應(yīng)商通常提供定制的工具，用來分析現(xiàn)有模塊的電氣和熱學(xué)模型。

這些工具可以用來生成一系列性能曲線，以描述IPM在用戶輸入情況下的行為。通常，這些工具允許用戶更改開關(guān)頻率、功率因數(shù)以及調(diào)變指數(shù)等參數(shù)來獲得指定應(yīng)用條件下的性能曲線。

圖1 設(shè)計工具生成的功率損耗與相電流以及外殼溫度

這些工具通常允許用戶生成有用的信息來簡化IPM的選擇。進(jìn)行功率損耗分析，用于生成功率損耗與開關(guān)頻率的曲線；進(jìn)行元器件對比，用于生成功率損耗和外殼溫度的曲線以供選擇散熱電阻之用。

考慮前面的設(shè)計示例，建模工具可以用來計算所需的散熱電阻Rth。圖1顯示了某個常見工具的元器件對比分析結(jié)果，同時顯示了這個應(yīng)用中逆變器的功率損耗以及最高的散熱溫度。

在均方根為3A時，6A模塊和10A模塊的功率損耗分別是31W和21W。6A和10A模塊的最大允許外殼溫度分別是84℃和99℃。所需的散熱電阻計算如下：

Rth（S-A） =（TC-TA）/P-Rth（C-S）

計算表明，較小的IPM需要較大的散熱電阻。最后的選擇將根據(jù)包括IPM和散熱在內(nèi)的整個系統(tǒng)的成本和尺寸。

同樣的方法可以用來為空調(diào)應(yīng)用選擇IPM。通常，這需要結(jié)合400V的直流總線和PFC前端。開關(guān)頻率將低于洗衣機(jī)應(yīng)用，以減少EMI噪聲。如果在6kHz開關(guān)頻率時需要均方根10A的電流，工具可以在16A和20A IPM之間權(quán)衡。

圖2 在各種不同開關(guān)頻率處最大輸出電流

圖3 功率損耗與開關(guān)頻率

這個工具也可以用來分析調(diào)變指數(shù)、開關(guān)頻率、散熱溫度以及功率因數(shù)對模塊的額定電流的影響。例如，這個工具可以用來研究IPM在不同開關(guān)頻率時的最大馬達(dá)電流和功率損耗，如圖2和圖3所示。在每種類型分析中，選擇3個部分會顯示在較大的開關(guān)頻率下，功率損耗會增加而最大電流會減少。

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