本文介紹了英飛凌新發(fā)布的IPM IM564-X6D的基本性能，展示了一款2.8kW MADK-IM564-X6D評估板的設(shè)計電路，PCB布局和測試結(jié)果，體現(xiàn)了該IPM(intelligent power module智能功率模塊)在系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中的諸多優(yōu)點：簡易方便，功能強大，功率密度高和散熱性強等性能。

1. IPM CIPOS™ Mini家族推出的新成員

電機驅(qū)動的高集成化，高穩(wěn)定性和高能效化，系統(tǒng)的小型化，輕量化和低成本化是工業(yè)和家電行業(yè)一直追求的目標，也是英飛凌IPM的技術(shù)發(fā)展方向。經(jīng)過長期的市場調(diào)研，規(guī)格定義和研發(fā)測試，今年二月，英飛凌正式發(fā)布了IPM CIPOS™ Mini新的成員IM564-X6D。 

IM564-X6D(36mmx21mm)器件尺寸小巧，CIPOS™ Mini系列管腳兼容，功能完善，散熱能力強，集成度高和可靠性強。具體來講，可以分為如下幾個功能單元部分。

• PFC(power factor correction功率因數(shù)校正)部分：集成了一個600V CoolMOS™ P7 MOSFET和一個650V Rapid二極管，由此可以提高PFC開關(guān)頻率到50kHz，減小PFC電感尺寸，并可通過軟恢復(fù)的方式減小EMI。
• 逆變部分：包含6個600V TRENCHSTOP™ IGBTs，6個反向并聯(lián)二極管和一個SOI (silicon on insulator絕緣體上硅)門級驅(qū)動器。
• 保護功能：內(nèi)置高精度NTC熱敏電阻，可用于溫度監(jiān)控和保護；防止內(nèi)部IGBT橋臂直通；過流短路時的ITRIP微秒級硬件快速保護；欠壓自鎖功能。
• 其它功能：休眠模式可以降低整機的待機損耗。集成上管自舉驅(qū)動二極管。
• DCB (direct copper bond陶瓷直接覆銅)基板，DCB(約27.5mm x 10mm)封裝實現(xiàn)了該IPM卓越的散熱能力和超小的封裝尺寸。

圖1：IM564-X6D器件的內(nèi)部框圖和器件圖片

2. MADK評估板發(fā)布

為了充分展示IM564的出色性能和優(yōu)秀特點，設(shè)計了一款2.8kW的MADK(Modular Application Design Kit)評估板，如下圖2所示。其中散熱器左邊為低壓控制驅(qū)動和輔助電源電路，右邊為高壓大電流功率部分。散熱器用于整流橋和IPM模塊散熱，強制風(fēng)冷。

圖2：評估板正視圖及其主要器件位置

評估板的功能框圖如圖3所示，其中黃色部分為IPM IM564模塊。220V交流輸入經(jīng)過EMI濾波電路和軟起保護，經(jīng)過整流橋，IM564經(jīng)過內(nèi)部的PFC和三相逆變后，輸出控制馬達電機?？梢钥闯?，IPM IM564的高度集成度大大簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

圖3. 評估板的功能框圖

為了驗證評估板的PFC功能，外接iMotion評估板EVAL-M3-102T作為控制器，測試條件為輸入電壓220V，頻率50Hz，輸入功率2.4kW，PFC開關(guān)頻率Fsw=50kHz，PFC電感電流測試波形如圖4所示。

圖4. PFC功能部分電感電流測試波形

PFC MOSFET驅(qū)動電壓Vgs和漏源極電壓應(yīng)力Vds波形如圖5所示，其中通道1為PFC電感電流，通道2為PFC MOSFET Vds，通道3為PFC MOSFET Vds?？梢钥闯觯琈OSFET的Vgs驅(qū)動波形比較平滑干凈，Vds尖峰非常小。

圖5. PFC功能部分MOSFET測試波形

為了驗證評估板的散熱能力和帶載能力，通過熱電偶測試IPM模塊DCB溫升，根據(jù)Datasheet標識的熱源分布點，粘接點分別靠近MOSFET和IGBT結(jié)，得到如圖6所示的結(jié)果。在環(huán)境溫度25℃條件下，當(dāng)負載達到2.8kW時，MOSFET的結(jié)溫接近85℃，足見IPM模塊的超強散熱能力。

圖6. IPM結(jié)溫和評估板輸出能力關(guān)系

3. 系統(tǒng)設(shè)計要點分享和經(jīng)驗總結(jié)

1）信噪比

圖7. PFC電阻差分采樣電路和layout圖

良好的信噪比設(shè)計是保障PFC和逆變控制的關(guān)鍵，使用差分放大器可以大大降低對共模噪聲的影響，從而降低PCB布線層面的限制。差分運放參數(shù)需要對稱配置，電阻越對稱共模抑制比越高。圖7所示為差分采樣電路的原理圖和layout走線，其中電路采樣信號從電阻中間引出來，在PCB板上平行走線。

2）自舉電路

自舉電容用來給上管驅(qū)動提供能量，電容容值大小需要根據(jù)IPM內(nèi)置IGBT的開關(guān)頻率來計算，計算方法請參考附件中的應(yīng)用筆記。PCB布局走線時需要注意，電容需要盡量靠近IPM的管腳放置，由于充放電電流比較大，銅箔走線走線盡量保證短而粗。同時，3組自舉電容之間，需要按照實際的工作電壓，留足足夠的電氣間隙距離和爬電距離，如圖8所示。

圖8. IPM自舉電容電路和layout

3）風(fēng)扇風(fēng)速調(diào)節(jié)

評估板在輕載運行時，整體損耗小，風(fēng)扇低速轉(zhuǎn)動，可以節(jié)能和減少風(fēng)扇噪音。當(dāng)重載時，風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動。所以設(shè)計了如圖9所示的PFC采樣電流補償風(fēng)扇驅(qū)動電壓電路。風(fēng)扇的驅(qū)動電壓可以隨著輸出功率的變化，在大約9V到12V之間變化。

圖9. PFC電流采樣補償控制風(fēng)扇驅(qū)動電壓電路

4）散熱設(shè)計考量

IM564尺寸小，功率大，如何將IPM內(nèi)部的熱盡快散發(fā)出去是評估板設(shè)計的難點之一。根據(jù)如圖10所示的IPM內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)圖和模塊測溫點，需要盡量將DCB部分放置在鋁散熱器的中心。散熱器表面需要保證足夠的平整度，涂抹散熱硅脂的厚度要恰當(dāng)。散熱器翅片頂端貼上NOMEX紙，可加速空氣流動，快速散熱。

圖10. IPM IM564內(nèi)部垂直結(jié)構(gòu)圖和熱測試點

5）PFC電感設(shè)計

由于集成了CoolMOS™ P7 MOSFET和一個650V Rapid二極管，PFC開關(guān)頻率設(shè)定提升為50kHz，由此可以減小PFC電感的體積，重量，布板面積和成本。目前應(yīng)用在50kHz頻率的磁芯主要有粉心和鐵氧體材質(zhì)，兩種材質(zhì)的特性如下：

我們選擇鉑科(POCO)粉心系列NPH-L系列，該系列磁芯可以在50kHz到200kHz的寬范圍頻率內(nèi)工作。PFC電感的參數(shù)為：感量520μH，磁芯NPH184060-L，繞組線徑φ1.0*3，圈數(shù)為62，外徑×內(nèi)徑×高度=47.63×23.32×18.92 mm。感量與電流的直流偏置性能曲線如下圖所示。

圖11. PFC電感直流偏置曲線

4.評估板的獲取和技術(shù)支持

可以通過訪問英飛凌官網(wǎng)，了解本評估板。另外，訪問www.infineon.com/MADK可以搜索到評估板的介紹和應(yīng)用筆記。訪問www.infineon.com/IPM可以找到IPM器件的技術(shù)資料。

參考文獻:

[1]Application Note AN2019-04_EVAL-M3-IM564 User Manual_V1.3_EN

[2]Datasheet of Infineon CIPOS™ miniIPM IM564-X6D/IM564-X6DS

[3]Application Note AN2016-10 CIPOS Mini Technical Description

[4] AN2018-02 EVAL-M3-102T User manual