【应用】用于伺服驱动器应用的电机集成IPM解决方案

时间： 2018-11-27 来源：Vincotech

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如今，分布式驱动技术正在成为逆变器行业的关键词。基于这种方法，逆变器必须集成到伺服电机中。但是，具有电机集成功率模块的伺服应用，具有关于功率模块的机械，热和功能特征方面的的特殊规范。本文讨论了附加要求和可能的解决方案，下面介绍了涵盖这些要求的完整IPM解决方案。

以下是为电机集成伺服应用设计的1200V/25A IPM产生额外要求的一些条件：

机械条件：

IP65防护等级的外壳可能会在低温下导致电路上的湿气和冷凝水
电子电路受到振动和机械冲击
可用面积有限，限制了机械设计的自由度

热条件：

高达90°C的散热片温度
由于短路操作导致的短暂峰值功耗
没有气流

以上条件需要电源电路的附加功能：
高效电气元件以降低功耗
提高负载循环能力
储热用于复杂的动态操作
适用于所有功耗元件（IGBT，FRED，分流器等）的出色热接触
用于逻辑组件的热相干系统（例如光学驱动器等）
高电压下的湿度保护
坚固的机械结构
紧凑的轮廓

电机集成IPM解决方案

1、DBC作为电源基板：

电源应用中的典型故障模式是所用材料的热膨胀差异。用作电力电子器件热接触的散热器或电机部分通常由铝制成，系统的热膨胀系数最高为23.5 * 10-61/K，而功率发射硅芯片的热膨胀系数仅为2.5*10-61/K，芯片和散热器之间使用的材料必须补偿这种热失配。第一关键点是芯片和基板之间的焊料连接。为了减小这种焊料连接的应力，用DBC陶瓷材料作为电源基板。陶瓷材料为0.385mm的Al2O3，两面均具有0.3mm的铜层。陶瓷的热膨胀系数位于铜与硅晶片的系数之间，约为9 * 10-61/K。这种布置避免了所使用的部件之间的过度不匹配。顶部表面铜层构造有用于功率布局的轨道。轨道厚度为0.3mm的铜结构增加了热容量，降低了芯片峰值温度，峰值负载持续时间可达10ms。

2、铜底板：

此方案分配4mm的铜基板来存储脉冲能量。将带有基板的IPM解决方案与使用直接压制DBC技术的模块进行比较。

在这个比较中，一个IGBT发热量为40W，持续1秒，没有基板的IGBT达到122°C的温度，而IPM中的IGBT仅达到108°C。由于基板面积比功率基板大得多，因此该基板也可用作散热器，以降低功率模块和散热器之间的热界面中的热阻。

3、集成PCB

伺服驱动器用于恶劣环境时电子设备将受到IP65兼容外壳的保护。但这会带来以下挑战：在低温下，水将凝结在PCB的表面和组装的部件上；在电机集成解决方案中，只有有限的电力电子空间可用；系统中的PCB不会被强制通风或空气对流冷却。冷凝水问题和总体尺寸目标可以通过模块技术解决，所有组件均采用高隔离（约10kV/mm）灌封材料进行保护。这种灌封有助于减少模块内部轨道和组件之间的隔离距离，并避免当水冷凝在电路表面时降低电压隔离能力的问题。在新的IPM中，PCB通过粘合剂和导热接口连接到基板，这将PCB温度降低到基板温度，并允许使用光耦合器，栅极驱动器和隔离放大器等光学元件，这种方法还可以将栅极驱动器和逻辑组件的电源集成到PCB上。

4、振动和冲击

电机集成应用中的电力电子设备必须能够承受与伺服电机本身相同的条件，对增加的振动和抗冲击性的需求是电子设备的特殊挑战。此方案所选择的系统使用PCB上的SMD元件，DBC衬底上的裸芯片，并且通过接合线实现基板和PCB之间的互连。在模块内部，PCB上只有铜轨道以及DBC基板，并且线焊用作互连。重量轻，使得该技术可抵抗振动和冲击，经过测试可达80克冲击而不会出现任何问题。

标准产品示例

智能电源模块flyerIPM集成了以下功能：

1200V/25A 3相IGBT逆变器

快速直流母线电容（720nF）

门驱动

三相电流检测

母线电压检测

温度感应器

集成逻辑电源

保存所有逻辑信号的隔离

坚固的包装

4毫米底板