关于逆变电机驱动电源模块的优化方案有哪些（逆变器驱动模块）

电动机用于驱动各种负载- 空调系统中使用的风扇、提供淡水的水泵以及工厂中用于驱动制造设备的电动机只是其中的几个例子。传统上，这些电动机直接连接到电网的电源。由于电网的运行频率固定，电机恒速运行，无需直接控制转矩。当今的电机驱动器使用变频调速来控制电机的速度和扭矩。

使用变频器的第一个好处是在全速运行时提高效率，因为逆变器可以在给定的励磁电流下最大化扭矩。变频的第二个好处是进一步节省能源。在传统驾驶中，电机要么关闭，要么完全开启（想象一下驾驶汽车时，您只允许油门踏板完全踩下，或者完全松开脚）。允许电机以不同的速度运行可以节省能源，并可以更平稳地打开和关闭。

智能功率模块(IPM) 是一种适用于变速驱动器的支持技术，该技术将逆变器和内部驱动器包含在单个模块中。它们是单相交流输入应用的首选模块。这些模块采用的传递模塑制造方法具有出色的坚固性以及功率和温度循环能力。这些模块可能包含功率因数校正(PFC) 级，但它们通常不包含输入整流级。单相交流桥式整流器组件的现成可用性意味着这不是问题。使用IPM 的主要好处是驱动器集成- 向驱动器添加额外的引脚。

对于三相交流输入应用，由于泄漏和间隙要求，IPMS 变得非常大，以确定导电组件之间的最小间距以阻止电弧或漏电起痕。由于IPMS为驱动器提供了额外的引脚，最小间距要求使得IPM比没有驱动器的模块更大。必须根据各种因素仔细计算每个应用的漏电和电气间隙，例如驱动器的最大工作高度、系统中的有效电压、系统中使用的隔离、模块和印刷电路板的污染程度以及比较漏电起痕指数(CTI)。

图1 显示了不带集成栅极驱动器的三相交流输入模块的原理图，我们将根据涵盖大多数三相交流输入电机驱动器的一般计算来审查所需的间距。

图1：三相交流输入变流器逆变制动（CIB）模块原理图

NTC 端子与任何其他端子之间的距离必须至少为5.5 毫米。该距离包括引脚外边缘之间的距离。然而，如果引脚被焊接或插入焊盘，则相关距离为每个焊盘的外部距离之间。孔尺寸和环形焊盘宽度的宽公差有助于提高可制造性，同时减少泄漏和间隙距离。

R、S、T、DBMINUS 和DBPLUS 引脚与任何其他引脚之间需要有5mm 的间隙距离。 U、V、W 之间所需的距离更多地取决于应用，此处的最小值通常为2.5mm 至3mm。

将所有这些间隙距离、通孔公差和环形圈（焊盘）尺寸相加，结果是一个相当大的模块- 最小约为70 毫米。如果将高端控制所需的附加信号添加到IPM，则模块的最小尺寸会变得更大，对于低功率三相输入应用来说变得太大且昂贵。

对于小功率工业三相交流输入应用，IPM模块和凝胶填充模块都被广泛使用：IPM模块没有整流器，凝胶填充模块没有驱动器。凝胶填充模块具有引脚矩阵，而IPMS 通常采用双列直插式封装。凝胶填充模块的热循环能力较低，但新的制造方法大大提高了其功率循环能力。使用凝胶填充模块时，PCB 布局灵活性低于DIP 安装IPMS，因为凝胶填充模块引脚矩阵中的引脚往往会妨碍PCB 布线。

由于机器人焊接设备的广泛使用，新设计的趋势是在凝胶填充和IPM 模块中使用焊针。某些类型的压接针容易受到腐蚀环境的影响，但在焊针应用中尚未发现此问题。

图2 显示了安森美半导体的新型TMPIM（传输模制PIM）模块的横截面。制造过程的第一部分类似于模块的凝胶填充。将芯片和热敏电阻焊接到DBC，然后接线。在IPM模块中，DBC和一些元件被焊接在引线框架上。这降低了工具的灵活性并且需要额外的工具。相比之下，只要引脚不发生变化，DBC 中TMPIM 的芯片布局和结构就完全灵活。

下一阶段是将引线框架焊接到DBC。最后阶段是传递模塑过程，其中模块被封装在环氧树脂中。引线键合线被切割，然后弯曲成形，这一过程称为修整和成型。

与将芯片焊接到引线框架的模块相比，该方法的优点在于可以容易地改变模块中的配置或芯片。不同的引脚需要新的引线框架和装饰成型工具。由于该工具可能花费数十万美元，因此这种方法适用于具有标准引脚排列的模块，例如六组件转换器-逆变器-制动(CIB) 模块（图1）和具有六组件交错式PFC 的模块。

凝胶填充模块可以更灵活地以定制方式进行更改，但不具有传递模塑模块相同的热循环能力。对于相同的DBC 焊接和引线键合方法，传递模塑模块将比凝胶填充模块具有更好的功率循环能力。

图2：新型TMPIM（传递模塑PIM）模块的横截面。

图2 显示了TMPIM 相对于现有模块的明显优势。为了便于说明，该比例被拉伸。模块总厚度为8mm。引脚顶部与散热器顶部之间的间隙为6mm，大于所需的5.5mm间隙。凝胶填充模块也满足这一要求，但它们更厚（12 毫米，而TMPIM 为8 毫米）； IPM模块更薄。因此，机械设计人员需要对散热器进行塑形，这往往会增加额外的制造成本。

表1 显示了考虑0.5mm 焊盘环宽度、0.3mm 钻孔公差和引线尺寸后焊盘边缘之间的间距。设计TMPIM 产品时会广泛考虑间距要求。

表1：TMPIM DIP-C2 CIB 模块的焊盘间距

表1：TMPIMDIP-C2 CIB 模块的焊盘间距

TMPIM 中使用的IGBT 是鲁棒场阻II 1200 V IGBT，在150C、900 V 总线电压和15V 栅极驱动条件下的短路额定值超过10 s。在发布之前，这些模块在电机驱动测试中进行了广泛的测试，包括台架测试。安森美半导体的NCP 57000 隔离式栅极驱动器非常适合驱动TMPIM。每个TMPIM 使用6 个隔离驱动器。 NCP 57000 具有Desat 功能，可检测过载电流，然后对IGBT 进行软关断，以防止在短路情况下过快关断过大的电压尖峰。

TMPIM系列可实现1000次以上的热循环。没有任何散热器的标准凝胶填充模块通常只能实现200 次热循环。模块的功率循环曲线显示出良好的功率循环能力，具体取决于结温的变化。 TMPIM中的高功率模块采用高性能氧化铝基板。读取功率循环曲线时，较低的热阻会导致热变化减少，从而获得更高的功率循环能力。

Semiconductor 目前的TMPIM 系列包括额定电流为25A、35A、35A 高性能基板和50A 高性能基板的1200 V CIB 模块。该系列的新设计将包括650V CIB 模块、650V 6 件装、1200V 6 件装和650V 模块、交错式PFC 和6 件装。

总而言之，TMPIM系列采用的方法可以将传递模塑模块的使用扩展到更高的功率级别，同时还为工业电机驱动逆变器的设计人员提供了方便、紧凑且可靠的解决方案。