過(guò)去數十年，各種能源法規都強調了制造節能型產(chǎn)品的重要性。這大大促進(jìn)了節能降耗[1]。此外，這些法規和標準為利用諸如SiC MOSFET等新技術(shù)優(yōu)異的特性，設計出更富創(chuàng )新性的家用電器鋪平了道路[2]。采用這些技術(shù)有助于制造商獲得最高能效等級認證。

文：英飛凌科技Konstantinos Patmanidis、Stefano Ruzza、Claudio Villani

引言

不久前，英飛凌推出了一款新開(kāi)發(fā)的高級集成功率器件（IPD）IM105-M6Q1B。IM105-M6Q1B采用7 mm x 7 mm四邊無(wú)引線(xiàn)扁平封裝（QFN），將英飛凌CoolSiC^TM技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)和堪稱(chēng)行業(yè)標桿的高可靠的高壓驅動(dòng)集成電路（IC）集于一體。使用這個(gè)集成功率器件（IPD），可以設計出具有更高功率密度的低功率電機驅動(dòng)器，同時(shí)突破限制，擴大無(wú)散熱片運行條件下的輸出功率范圍。

如圖1所示，設計了一個(gè)測試驅動(dòng)板，用于測試IM105-M6Q1B在典型冰箱壓縮機負載狀態(tài)下的性能。圖中還提供了IM105-M6Q1B的框圖。IPD的組成部分包括一個(gè)SiC MOSFET半橋（在V_gs = 18 V且T_j = 25°C條件下，其典型通態(tài)電阻為257 mΩ）和一個(gè)基于絕緣體上硅（SOI）技術(shù)的柵極驅動(dòng)器。相比于標準器件的600 V阻斷電壓，其最大阻斷電壓已增至650 V，可在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)提供更大耐壓余量。英飛凌SOI技術(shù)用于柵極驅動(dòng)器的優(yōu)勢在于高開(kāi)關(guān)頻率[3]、低歐姆（30Ω）單片集成自舉二極管[3、4]和對感性負載切換過(guò)程引起的負瞬態(tài)具有很強的抗干擾能力[5]。此外，這個(gè)柵極驅動(dòng)器提供了固定的內部死區時(shí)間，通常為540 ns，只要外部死區時(shí)間比這個(gè)值小，就會(huì )自動(dòng)插入，以實(shí)現上下橋直通保護。所有這些柵極驅動(dòng)器功能，以及英飛凌CoolSiC^TM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，都集成在一個(gè)小型表面貼裝器件（SMD）封裝中。

圖1：驅動(dòng)板測試車(chē)和IM105-M6Q1B框圖

通態(tài)輸出特性

本小節探討了IM105-M6Q1B在兩種柵極偏置電壓（15 V和18 V）下的典型輸出特性。在小功率家電電機驅動(dòng)器市場(chǎng)，兩種常用的產(chǎn)品是IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S。本小節也將它們的輸出特性與IM105-M6Q1B進(jìn)行了比較。

第一個(gè)輸出特性圖如圖2所示�？梢钥闯�，在第一象限運行中，IM105-M6Q1B的壓降大大低于（約4A）IKD04N60RC2的壓降。此外，通常情況下，IM105-M6Q1B的R_DS(on)溫度依賴(lài)性在V_gs = 15 V時(shí)僅為0.11 mΩ/°C，在V_gs = 18 V時(shí)略高，為0.2 mΩ/℃。這凸顯了CoolSiC^TM技術(shù)的溫度依賴(lài)性極小的特征。另一方面，在二極管導通期間的第三象限運行中，IM105-M6Q1B的壓降高于IKD04N60RC2。然而，請注意，二極管僅在死區時(shí)間內導通，在應用條件下，死區時(shí)間約在0.5到1 µs之間，因此，其造成的損耗微不足道。當SiC MOSFET溝道在第三象限運行中導通時(shí)，壓降略低于第一象限運行中的壓降。

圖2：IM105-M6Q1B的通態(tài)輸出特性與IKD04N60RC2對比

圖3所示為第二個(gè)比較圖。顯然，在T_j = 25°C條件下，IPD60R280PFD7S在第一象限運行中的壓降低于IM105-M6Q1B。當V_gs = 10 V且T_j = 25°C時(shí)，IPD60R280PFD7S的典型R_DS(on)為233 mΩ。如其數據表所列，對于這種器件類(lèi)型，增加柵極偏壓并不會(huì )進(jìn)一步降低壓降。除此之外，還可以看出，IPD60R280PFD7S的壓降溫度依賴(lài)性明顯高于IM105-M6Q1B。IPD60R280PFD7S的典型R_DS(on)溫度依賴(lài)性約為2.53 mΩ/°C，因此當結溫升高時(shí)，其導通損耗將高于IM105-M6Q1B。同樣地，當二極管加正向偏壓時(shí)，IPD60R280PFD7S的壓降低于IM105-M6Q1B。

圖3：IM105-M6Q1B的通態(tài)輸出特性與IPD60R280PFD7S對比

最后，圖4顯示了上述器件的典型動(dòng)態(tài)損耗總值，這些數據是使用典型的雙脈沖測試裝置測得。請注意，本分析不包括反向恢復損耗，因為它們對總損耗的影響相對較小。兩種器件的電壓變化率dv/dt均調節為6.5 – 7 V/ns左右，以確保公平比較。IM105-M6Q1B的開(kāi)關(guān)速度由其集成柵極驅動(dòng)器在內部調節為6至7 V/ns（20–80%）。

測試表明，相比于IKD04N60RC2，特別是相比于IPD60R280PFD7S，IM105-M6Q1B的功率損耗低得多，其功率損耗主要取決于導通損耗。最后，IM105-M6Q1B的動(dòng)態(tài)損耗對溫度的依賴(lài)性可以忽略不計，而其他器件，哪怕當T_j=100°C時(shí)，損耗也開(kāi)始顯著(zhù)增加。

圖4：不同開(kāi)關(guān)電流和溫度條件下的開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)態(tài)損耗之和

典型冰箱壓縮機仿真分析

典型冰箱壓縮機的完整工作循環(huán)包括多個(gè)工作點(diǎn)。其中兩個(gè)最獨特的工作點(diǎn)是額定工作點(diǎn)（輸出功率約為40 W）和高負載工作點(diǎn)（輸出功率約為160 W）。本分析使用了PLECS®軟件工具來(lái)仿真計算三個(gè)器件的功率損耗。圖5和圖6所示為仿真結果和典型應用條件。在這些仿真中，殼溫設置為T(mén)_c=110°C。受限于材料特性，這通常是印刷電路板（PCB）的最高工作殼溫。在輕負載或額定負載條件下，IM105-M6Q1B的損耗比IPD60R280PFD7S低了近43%，更比IKD04N60RC2低60%。在這些條件下，將柵極電壓增至V_gs＝18V并沒(méi)有帶來(lái)明顯益處。

在高負載的情況下，IM105-M6Q1B的損耗比IPD60R280PFD7S低了近37%，更比IKD04N60RC2低64%。在這個(gè)測試中，將IM105-M6Q1B的柵極電壓增至V_gs＝18V，使損耗相對于柵極電壓V_gs＝15V時(shí)降低了14%，這是IM105-M6Q1B可實(shí)現的最低損耗。

圖5：在特定的額定負載條件下典型冰箱壓縮機的功率損耗分割圖


圖6：在特定的高負載條件下典型冰箱壓縮機的功率損耗分割圖

逆變器級的效率計算如表1所示。本分析考慮了一個(gè)兩電平三相逆變器，即，總共6顆器件。在標稱(chēng)負載下，IM105-M6Q1B的總效率增加量比IKD04N60RC2多2.7%，比IPD60R280PFD7S多近1%。在高負載條件下，相比于IKD04N60RC2和IPD60R280PFD7S，效率分別增加了約為1.5%和0.5%。

表1：6橋兩電平三相逆變器的效率計算

硬件實(shí)驗結果

本小節討論了IM105-M6Q1B在外形（即，功率密度）方面的額外好處。此外，利用IKD04N60RC2和IM105-M6Q1B，對采用類(lèi)似設計的低功率驅動(dòng)板的無(wú)散熱片輸出功率能力進(jìn)行了比較分析。圖7并排顯示了這兩個(gè)驅動(dòng)板的圖片，以便清楚地突出顯示它們的差異。兩個(gè)驅動(dòng)板都搭載了類(lèi)似的電磁干擾（EMI）濾波器、二極管整流器、DC link電容器和單片機IMC101T-038（iMOTION™  IMC100系列電機控制器）。

兩種設計的布局都采用雙層板和35 µm銅箔厚度。主要區別在于逆變器級。使用IKD04N60RC2的驅動(dòng)板需要6顆采用TO-252封裝的IGBT單管和一個(gè)全橋三相柵極驅動(dòng)器IC，以形成一個(gè)兩電平三相逆變器。另一方面，得益于其將半橋和柵極驅動(dòng)器集成到QFN封裝中，使用IM105-M6Q1B的驅動(dòng)板所需空間小得多。因此，這個(gè)驅動(dòng)板的尺寸可以縮小15%，從而提高功率密度。

圖7：低功率消費類(lèi)驅動(dòng)應用：藍色PCB（左側）使用IM105-M6Q1B，尺寸：66.4 mm x 78 mm；紅色PCB（右側）使用IKD04N60RC2，尺寸：78 mm x 78 mm

小功率家電電機驅動(dòng)應用（如，冰箱壓縮機、循環(huán)泵，等等）的開(kāi)關(guān)頻率（f_sw）通常在7.5至17 kHz之間。這些應用大部分未配置散熱片，因為其低輸出功率確保了功率開(kāi)關(guān)在規定熱限值范圍內工作。如前所述，它們的最大允許殼溫（T_c,max）限制在110°C左右。

為了研究和分析驅動(dòng)器在測試條件下的性能，選擇了一個(gè)典型的冰箱壓縮機。圖8所示為將冰箱壓縮機用作負載的實(shí)驗室試驗臺。使用熱像儀來(lái)監測逆變器的頂部殼溫�？刂品桨笇�(shí)現采用了英飛凌的iMOTION^TM IMC101T-T038單片機和隔離式調試探頭iMOTION^TM Link。被測驅動(dòng)器直接向DC link供電，以避免任何電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負載對電壓造成影響，并且支持使用標準無(wú)源探頭，而不需要浮地的測量設備。將無(wú)源探測器連接至低邊功率器件，以測量器件的典型dv/dt行為。最后，在輸出相中連接一個(gè)電流探頭，用于監測電機電流。

圖8：實(shí)驗室試驗臺

采用了兩種調制技術(shù)，一種是7段式空間矢量脈寬調制（SVPWM），另一種是5段式空間矢量脈寬調制（SVPWM）（可降低開(kāi)關(guān)損耗），如[6]所述。表2列出了實(shí)驗測試條件。對于所有實(shí)驗條件，DC link電壓均預設為310 V，由高壓直流電源單元供電。冰箱壓縮機的輸出基頻（f_s）配置為20 Hz。環(huán)境溫度（Ta）為約25°C室溫。未測量功率因數（PF）以避免任何額外的寄生效應的影響。唯一的獨立實(shí)驗變量是調制系數。調節調制系數，直至逆變器達到最高管殼溫，從而獲得不同的允許相電流。使用開(kāi)環(huán)控制方案進(jìn)行調節，在本實(shí)驗中即為V/f控制，因為僅關(guān)注逆變器級的情況。這些實(shí)驗可以表明驅動(dòng)板的最大輸出功率能力。

表2：實(shí)驗測試條件

圖9所示為輸出功率能力。圖中的輸出功率計算考慮了PF為0.75且調幅指數為1。顯而易見(jiàn)，IM105-M6Q1B的輸出功率幾乎是IKD04N60RC2驅動(dòng)板的兩倍，這也證明其功率密度更高。相比于在V_gs＝15V條件下的測試，在這項測試中，柵極電壓增至約V_gs＝18.5V，這使得輸出功率增加了6%。

圖9：不同開(kāi)關(guān)頻率和調制方案下的最大允許相電流

最后，圖10和圖11所示為這項測試使用的兩顆器件的典型dv/dt行為。高邊開(kāi)關(guān)用HS表示，低邊開(kāi)關(guān)用LS表示。請注意，IKD04N60RC2的導通dv/dt設置為約6至7 V/ns。

圖10：在T_c,max下，設置為6.5 V/ns的IKD04N60RC2驅動(dòng)板在不同開(kāi)關(guān)電流下的電壓變化率（dv/dt，20-80%）


圖11：在T_c,max下，IM105-M6Q1B驅動(dòng)板在不同開(kāi)關(guān)電流下的電壓變化率（dv/dt，20-80%）

結語(yǔ)

新出臺的針對小功率電機驅動(dòng)應用（即，家用電器）的能效標簽指令，強調了開(kāi)發(fā)創(chuàng )新解決方案和采用新型半導體技術(shù)，以達到最高能效等級的重要性。本文介紹了英飛凌CoolSiC^TM MOSFET在集成式產(chǎn)品IM105-M6Q1B中實(shí)現的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。尺寸僅為7 mm x 7 mm的小型QFN封裝有助于設計出具備更高功率密度的系統級解決方案。為了突出其優(yōu)點(diǎn)，設計了一個(gè)基于IM105-M6Q1B的驅動(dòng)板，其尺寸比基于IKD04N60RC2的分立式解決方案縮小了15%。IM105-M6Q1B的輸出功率處理能力也大大優(yōu)于IKD04N60RC2。不僅如此，使用IM105-M6Q1B可將逆變器效率提高1 – 2.7 %。