摘 要

本文介紹了一種針對小功率電機驅動的全新壓注模表面貼裝型（SMD）智能功率模塊（IPM），適用于冰箱、洗碗機及風扇等白色家電產品應用，具有體積小、可靠性高等特點。通過采用全新封裝技術和更薄的逆導型IGBT（RC-IGBT）芯片，全新表面貼裝型IPM不僅成功地將三相全橋電路、IGBT柵極驅動IC以及BSD（自舉二極管）等集成到緊湊的表貼型封裝中，并內置包括上下臂互鎖、溫度信號模擬量輸出、短路保護及控制側電源欠壓保護等保護功能。該系列模塊采用壓注模封裝技術制造，具有良好的熱膨脹系數匹配，實現了足夠小的封裝尺寸，有助于顯著降低變頻驅動系統的整體尺寸和設計復雜性。總之，該系列產品能夠大大簡化和縮短家電產品中逆變器功率級的設計過程。

1、 概要

作為應對全球變暖最重要的措施之一，在空調室內/外風機、洗碗機排水/再循環泵、冰箱壓縮機等小功率家用電器應用中采用變頻驅動在近年發展迅速。由于這類產品的內部空間有限，變頻系統設計最重要的要求之一是嚴格限制逆變器驅動板的尺寸。

這類家電應用中的傳統變頻驅動解決方案往往使用分立元件來實現三相開關電路拓撲，因而需要大量的電子元器件及復雜的組裝過程。因此，需要一種能夠將IGBT、FWD（續流二極管）、驅動 IC、BSD(自舉二極管)等關鍵元器件高度集成并且具有緊湊封裝的器件解決方案。為滿足這一市場需求，三菱電機開發了一系列表面貼裝型IPM產品，其額定規格為1A/600V和3A/600V，可為小功率家電應用提供良好的解決方案。

表面貼裝型IPM系列產品的封裝外形和內部電路框圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 表面貼裝型IPM封裝外形

圖2 表面貼裝型IPM內部電路框圖

為了將盡可能多的分立元器件集成到IPM封裝中，我們采用了將IGBT和FWD集成為單個芯片中的RC-IGBT芯片，以確保有足夠的空間用于其他芯片/器件的封裝。同時，IGBT柵極驅動IC和BSD等自舉電路元件也被集成到這個緊湊封裝中。

2、 全新RC-IGBT芯片技術

基于三菱電機超薄晶圓工藝和第7代CSTBTTM芯片技術，全新RC-IGBT芯片將IGBT和FWD完美地集成在同一芯片中，并采用了微細加工工藝來實現低VCE(sat)和低功率損耗，以取得更好的元胞間距和改善載流子存儲效應。圖3給出了第7代IGBT芯片與上代芯片的結構對比。

圖3 第7代IGBT與上代芯片的結構對比

得益于全新芯片技術，與上一代RC-IGBT相比，在相同芯片尺寸下，全新RC-IGBT的導通壓降降低了約50％。圖4給出了全新RC-IGBT與上代RC-IGBT之間導通壓降的比較。

圖4 全新RC-IGBT與上代RC-IGBT間導通壓降對比（ Tj=25℃及VGE=15V）

與其他DIPIPMTM產品相比，全新表面貼裝型IPM的性能經過優化，可在更高的PWM載波頻率下工作，以滿足如風機、鼓風機等家電應用的需求。圖5給出了1A/600V表面貼裝型IPM產品的輸出電流、溫升及功率損耗的關系曲線。

圖5 1A/600V表面貼裝型IPM功率損耗及溫升與電流關系曲線

（Vcc=300V, fc=20kHz, pf=0.8,M=1, Tj=125 ℃, 3 相調制）

3、封裝與功能

由于需求數量龐大，家電市場對成本要求更為嚴格，逆變器控制板尺寸的縮小是實現成本目標的有效途徑之一，而功率模塊封裝尺寸的縮小將為實現這一目標做出巨大貢獻。

圖6 超小型DIPIPMTM(左)與表面貼裝型IPM(右)封裝對比

全新表面貼裝型IPM具有非常緊湊的封裝尺寸，通過采用RC-IGBT，其功率芯片數量可以減少到超小型DIPIPMTM系列產品的一半，其中超小型DIPIPMTM和全新表面貼裝型IPM模塊的尺寸比較如圖6所示。

一些全新封裝技術被用于全新表面貼裝型IPM產品的設計中，并成功地在模塊內部集成BSD等自舉電路元件，以進一步減少對外部元件的需求，從而使其與市場上其他類似尺寸的產品有所不同。

此外，某些增值功能也被設計進全新表面貼裝型IPM產品中，如集成上/下橋臂互鎖功能，防止直通時產生大電流損壞功率芯片；集成配有100Ω限流電阻的BSD芯片，更低電阻確保更穩定的上橋臂電源；溫度信號模擬量輸出功能（VOT）采用了激光微調技術，通過內置控制LVIC的高精度溫度轉換電路來實現，通過監測輸出電壓的模擬信號，可以在更接近于可承受的最高結溫下使用DIPIPMTM。圖7為BSD的VF-IF曲線，圖8則為VOT的輸出特性曲線。

圖7 自舉二極管的VF-IF曲線

圖8 全新表面貼裝型IPM的VOT輸出特性(1A/600V)

4、電氣特性

1A/600V 全新表面貼裝型IPM的主要電氣特性（逆變部分和控制部分）如表1所示。

表1 1A/600V全新表面貼裝型IPM電氣特性參數(如無特別說明，均在Tj=25℃下測試)

5、結 論

通過采用RC-IGBT功率芯片技術，三菱電機開發了用于白色家電應用的全新壓注模表面貼裝型IPM系列產品，以追求高可靠性和高性價比。新模塊在內部集成了IGBT柵極驅動IC（HVIC/LVIC）和自舉電路元件（BSD等），與目前的超小型DIPIPMTM產品相比，封裝尺寸縮小約50％，這將有助于節能型社會的建立。