压铸模PIM技术以更小的封装提供更高的能效和功率密度

2021-01-19 09:35

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。