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压铸模PIM技术以更小的封装提供更高的能效和功率密度

作者:周锦昌

安森美半导体应用工程师

可变速驱动(VSD) 可以非常高效地改变电机的扭矩和速度,并广泛用于诸如电机驱动、伺服和暖通空调 (HVAC) 等重载应用中。在采用VSD之前,交流输出功率只能以电网电力的交流频率施加,通常在不需要全速时使用机械制动。因此,根据需求调节速度不仅可以减少能耗,而且可以延长电机的使用寿命。

实现此目的最常见的一种器件是转换器-逆变器-制动 (CIB) 模块。图1显示了CIB模块的基本轮廓。该模块电路包含3部分:转换器,逆变器和制动器。CIB的名字由这些器件的首字母-C,I和B而得来。在正常运行期间,转换器级的输入(图1中的R/S/T)从电网汲取三相功率,并将交流电调节为直流电。

有两种常用的三相电压:240V级和400V级;根据电压大小,建议使用650 V CIB模块或1200 V CIB模块。转换器级之后,将立即将电容器连接到直流总线,以消除由使用动态功率引起的来自逆变器的电压纹波。然后,逆变器级将DC输入斩波为AC输出来为电机供电。这可以通过导通和关断模块此部分中的6-IGBT来实现。输出电压/电流通过脉宽调制控制;信号被构造为产生所需的功率以所需速度和方向驱动电机。

当安森美半导体定义TMPIM电源模块的安培额定值时,电流是指逆变器部分中的IGBT额定值。作为参考,一个1200 V 25 A TMPIM CIB模块将提供5 kW的电动机功率。35 A TMPIM将输出7.5 kW;50 A可提供10 kW,15 kW和20 kW的功率。重要的是要注意,通常提供千瓦输出功率额定值。如果应用使用不同的控制和冷却设置,则此额定功率可能会有很大变化。

因此,最大输出功率由功率模块的设计以及如何控制和冷却模块来定义。安森美半导体的运动控制在线仿真工具可帮助您选择最合适的模块。当电机停止和减速时,其运行会切换到再生模式。电机产生的功率被转移回直流总线电容器。当产生的功率过大时,会过度充电并损坏电容器。在这种情况下,制动IGBT导通,将多余的电流引至与IGBT串联连接的外部制动电阻器。这种布置会耗散过多的再生功率,并使电容器电压保持在安全水平。

在含风扇、泵和加热器驱动的应用中,再生功率不显著,可以移除制动器。在这种情况下,该模块称为CI模块,它代表转换器逆变器模块。

图1:转换器-逆变器-制动器 (CIB) 模块的基本架构

创新的封装用于功率集成模块

通用CIB/CI模块使用凝胶填充封装,将功率组件封装在外壳内。这种方法涉及一个多级制造工艺,但也许更重要的是,它固有地结合了不均匀材料和接口的额外层,这会削弱模块并降低其鲁棒性。安森美半导体开发压铸模功率集成模块 (TMPIM) 挑战这一规范。顾名思义,开发的工艺是一种单级封装技术,可以用相同的材料创建封装和包围组件的介质。

压铸模工艺消除了对多种材料的需求,包括通常用于容纳组件的塑料盒,胶水和包围功率器件的密封剂。除了整体上更高效的制造工艺外,压铸模还能提供十倍的温度循环,从而直接提高能效。这为最终产品的尺寸和形状提供了更大的灵活性,并提供了更高的可靠性和功率密度。

迄今为止,安森美半导体已采用其TMPIM工艺开发和发布了许多模块针对功率要求在3.75 kW至10 kW之间的应用,包括六个额定电流分别为25 A,35 A和50 A的1200 V CIB模块。这些器件采用DIP-26封装,包括CBI和CI变体。现在,安森美半导体将扩展其产品系列,提供75 A和100 A电流输出的1200 V CBI模块,并推出一系列额定电流在35 A和150 A之间的650 V模块。这些器件将能够满足功率要求高达20 kW的应用,并采用QLP封装配置。DIP-26封装的两侧都有端子,而QLP是四边形的引线框架封装,所有四个侧面都有端子。

封装增强带来更高的功率密度

为了适应更高的输出功率水平,安森美半导体进一步开发了其TMPIM工艺,推出了标准版和增强版。增强版本采用了先进基板,具有较厚铜层,从而无需底板,使两种封装的外形尺寸保持不变。这使制造商根据其功率需求在两者之间进行迁移更为简单。移除底板比相当的模块减少约57%的体积,同时比标准的TMPIM封装提高30%热导率。

图2:安森美半导体的标准板和增强板TMPIM封装

更长的使用寿命

通过增加所用铜的厚度,封装具有较低的热阻和较高的热质量,而先进的基板进一步提高了模块的可靠性。

如前所述,整个组件,包括芯片、引线框架和焊线,都封装在形成封装的相同的环氧树脂中。在DIP-26封装中,CBI和CI模块都有相同的引脚分配。在CI模块中,制动端子没有内部连接。

安森美半导体自身的竞争对手分析表明,使用其压铸模工艺制造的模块可提供高十倍的温度循环,高3倍的功率循环,同时具有更好的导热性和整体能效。

总结

在电机驱动、伺服和HVAC应用中,VSD通常采用CIB或CI电路的电源模块。安森美半导体通过创新的TMPIM技术开发功率集成模块,现在能够以更小的封装提供更高的能效和功率密度。

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