介绍了一种针对低功率驱动器优化的 PFC+逆变器 IPM（智能功率模块）。三相逆变器和单个升压 PFC 级集成在一个小型 DIL（双列直插式）传递模塑型封装中，并带有 SOI（绝缘体上硅）栅极驱动器。使用此 IPM，可以大大减小系统的尺寸和成本
　　概述 新型 IPM 的内部电路由逆变器级和 PFC 级组成。三相逆变器级具有六个额定电压为 600V 的 TRENCHSTOPTM IGBT 和六个发射极控制二极管，以及一个提供集成自举电路的 SOI 栅极驱动器 IC 和用于温度监控的热敏电阻。PFC 级由一个额定电压为 650V 的TRENCHSTOPTM IGBT和一个具有快速和软开关特性的快速开关发射极控制二极管组成（图 1）。

　　内部电路

　　图 1：内部电路
　　降低成本
　　化总成本是系统工程师在开发新型电机驱动器时重要的考虑因素。不仅 IPM 本身、散热器和 PCB 等材料成本，而且开发上市时间也是总成本的主要因素。
　　小型化传递模塑封装（封装尺寸和结构）

　　图 2 显示了高集成度 IPM 的封装轮廓。该 IPM 采用紧凑尺寸的英飞凌科技 CIPOSTM（控制集成电源系统）迷你封装，尺寸为 21 毫米 x 36 毫米 x 3.1 毫米。新 IPM 已获得 UL （UL 1557 文件 E314539），并符合 RoHS 标准。

　　外观
　　图 2：外部视图

　　采用具有良好导热性的DCB（直接铜键合）基板作为高热性能基板。图 3 显示了新 IPM 的横截面图。所有主要热源（如 IGBT 和二极管）都安装在 DCB 上，以充分利用此封装的传热能力。因此，即使封装尺寸非常紧凑，新 IPM 也可以成为高达 3kW 电机驱动器的解决方案 [1]。

　　横截面视图
　　图 3：横截面视图
　　散热器和 PCB 尺寸
　　所有功率半导体元件（即桥式整流器、用于 PFC 的分立 IGBT、分立升压二极管和用于电机驱动的 IPM）通常都安装在一个散热器上，以便散热。图 4 显示了通过将分立功率半导体和驱动器集成到一个封装中，可以减少 PCB 和散热器的尺寸，并简化组装过程 [2]。

　　分离式 PFC 和逆变器 IPM 解决方案 全新 IPM 解决方案

　　4a：分立式 PFC 和逆变器 IPM 解决方案

　　4b：全新 IPM 解决方案
　　发展速度加快
　　在系统开发过程中，电路设计、图稿和 PCB 组装需要花费大量时间（参考板，图 5 和 6）。为了减少此过程所花费的时间，并快速确定新 IPM 是否可以运行电机，我们开发了一个参考板。运行电机所需的外围设备安装在板上，其他外围设备（如 PWM 信号、+5/+15V 直流电源、PFC 电感器、DC 链路电解电容器）可通过与参考板的电线连接从板外使用。
　　额定电压为 650V 的 PFC 级
　　英飞凌科技根据其 PFC IGBT 特性开发了两种产品。它们是用于 20kHz 开关频率的 High Speed 3 (HS3) 和用于 40kHz 开关频率的 TRENCHSTOPTM 5 (TS5)，如表 1 所列。英飞凌的快速发射极控制二极管经过优化，可与 TRENCHSTOPTM IGBT 一起用作 PFC 拓扑中的升压二极管。它结合了低 VF 以降低传导损耗和低 Irr 以降低 IGBT 的 Eon [3]。所有功率器件的额定电压均为 650V，并且它针对不稳定的交流电网提供了更高的可靠性和耐用性 [4]。

　
　　图 5b：参考板结构背面

　　参考板应用示例

　　图6：参考板应用示例

　　逆变级特点
　　逆变器级具有多种功能，可确保逆变器的安全运行。这些功能可通过坚固的 SOI 栅极驱动器和热敏电阻来实现。
　　VBS=15V 时允许信号传输的负 VS 电位可达 -11V
　　集成引导功能
　　所有通道均欠压锁定
　　预防交叉传导
　　保护期间所有 6 个开关均关闭
　　过流关断
　　温度监控器
　　过流保护
　　新型 IPM 监控 ITRIP 引脚电压，当电压超过 VIT、TH+（正向阈值电压）时，将激活故障信号，并关闭所有 6 个 IGBT。过流跳闸水平通常设置为额定集电极电流的 2 倍以下 [5]。

　　过流保护时序图

　　图7：过流保护时序图
　　过温保护

　　为了实现过温保护，该 IPM 中集成了一个热敏电阻。25°C 时电阻通常为 85kΩ，100°C 时电阻通常为 5.4kΩ（图 8）。

　　热敏电阻阻值与温度

　　图 8：热敏电阻阻值与温度的关系

　　如图 9 所示，VFO 引脚直接连接到微控制器的 ADC 和故障检测端子，因为热敏电阻与具有开漏配置的故障输出端子并联。例如，当上拉电阻 R1 为 3.6kΩ 时，VFO 电压在约 100°C 时为 2.95Vtyp。Vcrt=5V 时，Vcrt=3.3V 时为 1.95V，如图 10 所示。
　　热评估
　　图 11 是测试电路和测量波形，显示了测试系统在输入功率为 2kW 时评估热性能的运行状态。运行条件为 PFC 控制器 = ICE2PCS05G、输入功率 PIN = 2kW、交流输入电压 VIN = 220V/60Hz、直流母线电压 VDC = 400V、逆变器开关频率 = 5kHz、PFC 开关频率 = 20kHz、RL 负载（R = 13.75Ω、L = 2.96mH、功率因数 = 0.99）、MI = 0.69、栅极电阻 Rg = 5.1Ω、环境温度 Ta = 25°C。被测设备为 IFCM15S60GD。输入功率因数约为 0.995，THD 约为 9.78%。

　　过温保护电路

　　图9：过温保护电路

　　VFO 电压与温度

　　图 10：VFO 电压与温度
　　新型IPM的测试电路及波形，测试电路

　　图 11a：新型 IPM 的测试电路和波形，测试电路

　　新型IPM的测试电路及波形

　　图11b：新型IPM的测试电路和波形，波形

　　PFC IGBT位置的外壳温度点约为67.5°C，高于逆变器部分的外壳温度。IFCM15S60GD足以应对2kW以上的功率。

　　新型IPM（IFCM15S60GD）的温度测量点和测试结果，温度测量点
　　图 12a：新型 IPM（IFCM15S60GD）的温度测量点和测试结果，温度测量点

　　新型IPM（IFCM15S60GD）的温度测量点及测试结果、温度图

　　图12b：新型IPM（IFCM15S60GD）的温度测量点和测试结果，温度图