【应用】高集成度且超紧凑的IPM和PIM功率模块，嵌入式驱动应用的最佳选择

时间： 2018-04-28 来源：Vincotech

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嵌入式驱动电路由输入整流器、PFC升压级和三相输出逆变器组成。根据应用的不同，用于嵌入式驱动电路的功率模块的最佳选择是高度集成的IPM（智能功率模块）或非常灵活的PIM（功率集成模块）。IPM还具有功率开关所需的逻辑组件和栅极驱动器。PIM只提供功率组件，因此必须将栅极驱动器安装在系统的PCB上。

对嵌入到水泵、压缩机、风扇和其他应用中的嵌入式电子控制电机的两个关键要求是：

1. 功率因数校正（PFC）：连接到公共电网的驱动器必须使用PFC；

2. 密封式电机集成：密封式集成电机需要紧凑的设计和散热管理。内部空间有限，密封可防止任何气流进入到系统PCB板的元件上。栅极驱动器、分流电阻器等产生的热量则必须通过连接的散热片散发出去。

VINCOTECH用于嵌入式驱动器的产品组合

嵌入式驱动系统的空间紧张，其紧凑的密封设计使得很多电子元件产生的热量难以消散。

Vincotech用于嵌入式驱动器的功率模块产品组合包括具有600V和1200V电压的智能功率模块（IPM）以及带PFC电路的功率集成模块（PIM+PFC），可实现目前市场上与任何功率模块相比最高的集成度。这使得这些模块成为空间受限的嵌入式驱动器的最佳解决方案。

除了输入滤波器、直流电容器和微控制器之外，整个系统的尺寸、成本和上市时间可通过将所有电机驱动器的功能模块高度集成来降低。

保护电路经过调整以匹配功率器件的功能，并经过工厂测试以提高系统的可靠性。采用高度集成的元件和裸功率芯片可节省大量空间，以实现比分立式设计小得多的占地面积。

更少的外部元件和智能隔离技术使电机驱动装置更加精简。厚膜技术中使用的陶瓷片通过为功率器件提供最佳的直接冷却效果来改善模块的散热性能。

图1 成本比较（flowIPM VS分离器件和竞争对手IPM）

此外，Vincotech用于嵌入式驱动器的功率模块采用了非常紧凑的外壳，可以配备压接式引脚。压接技术(Press-fit)通过消除对焊接的需要来大大减少PCB装配时间和工作量。这样可以缩短流程时间和成本，并提高产量。

通过预涂相变材料，功率模块和散热器之间的热量互连得到极大改善。Vincotech公司内部的丝网印刷工艺可以非常精确地沉积散热材料，以达到适当的厚度。该材料还可以进行优化以获得最大的散热能力。

1）IPM模块

智能功率模块（IPM）可实现嵌入式驱动所需的功能集成和功率密度。IPM集成的程度各不相同，但是标准的IPM必须具有一个简单的三相逆变桥和一个兼容的栅极驱动器。借助更为广泛的模块集成，工程师可以创建更紧凑的设计，并充分利用经过验证的功率元件和栅极驱动器电路（逆变器设计中最关键的元素）的组合。这可以缓解与电路设计相关的风险，加速开发并缩短产品上市时间。

图2 IPM模块用于嵌入式驱动的电路框图

flowIPM 1B是Vincotech最新推出的IPM模块，其集成到基板上的功率半导体、集成电路、SMD和电阻都可以与厚膜技术相结合，从而最大限度地提高flowIPM 1B功率模块的功能集成度。该设计采用了具有有源功率因数校正（APFC）的三相逆变器的所有有源功率器件，包括用于补偿电感回路的电容器，用于检测电流的分流器，一个与其周围电路一起可作为分压器的PFC控制器，以及直流电容器。

该系列功率模块的PFC频率和输出电压使用了两个外部电阻来编程修改。如果用于逆变器的外部微控制器也用于控制PFC，则仅提供配备PFC开关栅极驱动器的版本，这可能需要一个负电源和一个放大器来检测PFC电流信号。可选的压配互连技术为工程师提供了更大的设计余地以更加灵活地实现嵌入式驱动应用。更重要的是，flowIPM 1B功率模块更为广泛的功能整合将研发工作从驱动器的开发人员转移到了模块制造商。驱动器的制造商必须在开发上投入更少的精力，但在定义功能和校准开关行为方面享有了更大的灵活性。

2）PIM(CIP)模块

针对4 kHz和16 kHz的PWM频率而实现的应用设计并非一样，其滤波器工作量和开关损耗必须以不同的方式进行优化。基于矢量控制的逆变器还需要花更多的精力来测量电流信号。唯一的解决方法是将功率器件（输入整流器，PFC升压级和三相输出逆变器）集成到PIM模块中。栅极驱动电路和其他逻辑电路则必须安装在外部PCB上。此外，还需要提供一个集成的直流电容来减少电感，并实现PFC开关的超快速关断。

图3 PIM模块用于嵌入式驱动的电路框图

Vincotech公司为我们带来了带整流器、逆变器和有源PFC（功率因数校正）的全新PIM（CIP）功率模块系列--flowPIM 0B + PFC，该系列功率模块采用开放式发射器拓扑结构，能够广泛应用于嵌入式驱动应用中。

flowPIM 0B + PFC使用了带高速IGBT PFC升压电路的有源PFC技术，具备极高的工作速度，同时具有低饱和电压，PFC切换频率最高可达150KHz。此外，该系列功率模块还采用了IGBT RC芯片技术，优化了集电极-发射集饱和电压以及正向电压，V_CE（sat）最低仅为1.77V，实现了低导通损耗；IGBT RC还使得功率模块拥有平滑的开关性能，从而为用户带来低EMI水平。