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安森美半導體全面的IPM方案滿足工業(yè)、汽車和消費應用的不同需求

本文作者：安森美點擊： 2017-01-11 09:35

前言：

智能功率模塊(IPM)，是指集成驅(qū)動和保護電路到單個封裝的模塊化方案，較分立方案減少占板空間，提升系統(tǒng)可靠性，簡化設計和加速產(chǎn)品面市時間。安森美半導體憑借領先的硅和封裝技術(shù)，提供同類最佳的 IPM，產(chǎn)品陣容覆蓋20 W到10 KW不同功率等級，應用于工業(yè)、汽車和消費等應用，具有顯著的能效、尺寸、成本、可靠性等優(yōu)勢。

IPM技術(shù)趨勢
根據(jù)具體應用需求，IPM可采用各種不同的晶圓技術(shù)如平面MOSFET、超結(jié)、場截止IGBT、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等，以及封裝技術(shù)如扁平無引腳(QFN)、全塑(Full pack)、陶瓷基板、AI2O3、氮化鋁(AIN)、絕緣金屬基板技術(shù)(IMST)、直接鍵合銅(DBC)、單列直插(SIP)、二合一（PFC + 變頻器INVERTER）等，以盡量減小熱阻，降低導通損耗和開關損耗，同時確保高集成度、高開關速度、高能效、高可靠性和出色的EMI性能。

600 V及1200 V高功率的工業(yè)IPM方案
工業(yè)IPM主要應用于工業(yè)壓縮機、泵、可變頻驅(qū)動、電動工具等。預計此類市場未來3年的復合年增率(CAGR)為5.1%，增長較快，這主要歸結(jié)于人工成本的不斷上漲導致企業(yè)實現(xiàn)自動化的需求日趨強烈，而各項能源法規(guī)及測試標準如ErP、IEC、GB3等對能效的要求日趨嚴格。

安森美半導體是市場上能同時提供600 V及1200 V高功率IPM方案的數(shù)一數(shù)二的供應商，主要系列有SPM45、SPM3、SPM2、SIP系列。除了現(xiàn)有的第三、四代場截止IGBT技術(shù)，還即將推出采用SiC、GaN的模塊。

SPM3系列主要應用于高功率空調(diào)、工業(yè)變頻器、工業(yè)泵和工業(yè)風扇等，這些模塊集成了內(nèi)置 IGBT 已優(yōu)化的門極驅(qū)動，使用 Al2O3陶瓷基板實現(xiàn)極低熱阻，從而優(yōu)化EMI性能和最小化損耗，同時提供欠壓鎖定、過流關斷和故障報告等多種保護特性。內(nèi)置高速 HVIC 僅需要單電源電壓并將收到的邏輯電平門極輸入信號轉(zhuǎn)換為高電壓、高電流驅(qū)動信號，從而有效驅(qū)動模塊的內(nèi)部 IGBT。其中1200 V系列主要針對要求小型化的3相變頻器應用，目前已量產(chǎn)的如FSBB10CH120D，額定輸出為10 A，后續(xù)將推出額定輸出為15 A、20 A的型號。而600 V系列則涵蓋更寬廣的功率范圍，目前可從15 A至30 A，如FSBB15CH60D(15 A)、FSBB20CH60D(20 A)、FNB33060T(30 A)，同樣封裝的IPM已經(jīng)擴展達到50 A。

相對于SPM3系列，SPM2 系列封裝占位更大，熱阻更小，功率范圍更廣。其中1200 V系列包括FNA21012A(10 A)、FNA22512A(25 A)、FNA23512A(35 A)，滿足小型化要求和高壓趨勢。而600 V系列如FNA23060(30 A)、FNA25060(50 A)、FNA27560(75 A)則更適合對可靠性要求較高、對體積不那么敏感的應用。

而緊湊的單列直插式封裝(SIP) IPM系列則將控制、驅(qū)動和輸出放到單邊，有利于節(jié)省空間和提升散熱性。

汽車IPM實現(xiàn)高功率密度和加速應用上市
隨著新的燃油經(jīng)濟性標準和日趨嚴格的環(huán)境法規(guī)的推出，電動汽車(EV)/混合動力汽車(HEV)迎來高速發(fā)展，汽車功能電子化趨勢日益增強，汽車電子市場未來3年CAGR預計將達19%，增長潛力巨大。

安森美半導體針對汽車市場提供的中壓IPM(電池電壓400VV供電)包括：(1)集成門極驅(qū)動器、微控制器(MCU)、功率硅和外圍元件的無傳感器驅(qū)動方案；(2)實現(xiàn)高性能、低噪聲及高可靠性的無PCB方案；(3)標準產(chǎn)品和定制的IPM，用于電動水泵、電動油泵、電動燃油泵和電動冷卻風扇等等。

為了應對汽車電子更精密、更高性能和能效的趨勢，安森美半導體作為全球前10大汽車半導體供應商，提供行業(yè)最緊湊的IPM模塊APM 27系列，用于混合動力和電動汽車中控制空調(diào)(A/C)壓縮機和其它高壓輔助電機。如該系列目前已量產(chǎn)的650 V、50 A FAM65V05DF1獨特地集成IGBT、續(xù)流二極管和門極驅(qū)動器在一個12 cm2的汽車級占位封裝中，比由多種分立元件組裝的方案小達40%，同時提高應用的性能和能效，降低成本。該器件大大簡化和縮短用于A/C壓縮機和油泵的高壓汽車輔助變頻器的電源段的設計流程，使設計人員可以專注于創(chuàng)新，加速面市。

圖1：行業(yè)最緊湊的汽車IPM模塊FAM65V05DF1

消費IPM方案具備同類最佳硅系列和封裝技術(shù)
IPM由于其小尺寸、高能效和高可靠性等優(yōu)勢，在白家電如空調(diào)、洗衣機、冰箱、風扇電機、烘干機、洗碗機等應用中已相當受歡迎。

1. 用于400 W以下消費應用的IPM
對于功率在400 W以下的應用，由于量大，屬于成本敏感的市場，要求緊湊、高能效，安森美半導體利用同類最佳的硅系列及封裝技術(shù)，提供SPM8、SPM55、SPM5等IPM系列，滿足市場趨勢和不同應用需求。

SPM8 系列采用第三代溝槽場截止技術(shù)，內(nèi)置豐富的保護特性，且可實現(xiàn)緊湊的尺寸，主要適用于冰箱及空調(diào)風扇。目前量產(chǎn)的有600 V、5 A的FNB80560T和600 V、10 A的FNB81060T。

緊湊型IPM STK5C4U332J-E、STK5Q4U352J-E、STK5Q4U362J-E采用絕緣金屬基板(IMS)或DBC，實現(xiàn)低熱阻和高功率密度，尤其適合洗衣機應用。

SPM5 系列如下表所示，從50 W至200 W不等，主要針對空調(diào)風扇、洗碗機等應用。其中SF型號具備極低導通電阻，B型號優(yōu)化用于載波頻率超過15 kHz的應用，而A型號則為常規(guī)版本。

表1：SPM 5 系列IPM

2．用于400 W至4 KW消費應用的IPM
對于功率等級更高的應用， EMI性能及熱性能極為關鍵，同時又需要兼顧高集成度。安森美半導體提供單個占位封裝SPM45、SPM3系列和高集成度封裝二合一PFC系列的IPM，具有穩(wěn)固的EMI性能及優(yōu)化的導通特性，出色的Rth(j-c)及通過DBC、陶瓷基板實現(xiàn)優(yōu)異的絕緣性能，并采用第三代、第四代場截止技術(shù)用于快速PFC方案。

SPM45系列將低損耗短路額定 IGBT 與優(yōu)化后的門極驅(qū)動器集成到單個完全隔離的封裝中，內(nèi)置熱敏電阻可實現(xiàn)溫度監(jiān)測，高低端集成欠壓閉鎖功能、及過流保護輸入進一步增強了系統(tǒng)的可靠性，尤其適用于1HP至3HP空調(diào)。其中FNA、FNB系列分別針對低頻和高頻應用，F(xiàn)NC則為經(jīng)濟型系列，客戶可根據(jù)應用的具體需求選擇適合的型號。

表2：SPM45系列IPM

二合一PFC IPM STK57FU394AG-E (15 A) 和STK5MFU3C1A-E (30 A)在單個、緊湊的封裝內(nèi)集成一個PFC轉(zhuǎn)換器、3相逆變輸出段、預驅(qū)動電路和保護，用于1HP至3HP空調(diào)。內(nèi)置防跨導電路，減小由噪聲引起系統(tǒng)故障的可能，以及為逆變器及PFC段提供過流保護。欠壓鎖定確保在異常情況下IGBT門極關斷，外部可訪問的嵌入式熱敏電阻用于絕緣金屬基板的高精度溫度監(jiān)測。高度集成的封裝有助于減少元件、節(jié)省空間和成本，簡化和加速設計。

此外，針對白家電廠家，安森美半導體還提供PFCM系列IPM。該系列IPM高度集成橋二極管、功率器件到單個封裝中，可節(jié)省更多的空間，便于安裝。內(nèi)置 NTC 熱敏電阻實現(xiàn)溫度監(jiān)控，熱阻極低，采用無橋式PFC、單相升壓PFC和兩相交錯式PFC三種不同的拓撲結(jié)構(gòu)。

表3：PFCM系列IPM

總結(jié)
安森美半導體專注于高功率領域如空調(diào)(HVAC)、汽車、工業(yè)級等，通過領先的硅技術(shù)和優(yōu)化的封裝，針對每一應用提供適當?shù)腎PM方案，確保高集成度、高功率密度、出色的熱性能、優(yōu)化的導通損耗和開關損耗、優(yōu)異的耐用性，尤其是封裝具有更大爬電距離/間隙，適用于高電壓應用。此外，針對消費領域，安森美半導體提供的器件和方案超越家電應用的低成本和高能效要求，幫助客戶提高產(chǎn)品長期可靠性、品質(zhì)和效率。

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