熱門丨低剖面IPM—CIPOS™ Nano IPM

當前很多應用設備安裝在空間受限的環境中，如PCB板內置式電機等。由於空間有限，這類環境往往沒有空氣流動，也無法應用如散熱器等額外散熱裝置。

作者：Simon Kim, Pengwei Sun & Danish Khatri, Infineon Technologies, Korea & USA

針對受限空間的創新方案

在環境受限的應用中使用的產品需要留有足夠的熱裕量，並能夠有效地消除運行期間功率損耗導致環境溫度升高而產生的多餘熱量。

在本文中，我們將主要介紹英飛凌的CIPOS™ Nano IPM系列產品，該產品可通過PCB板散熱，從而能夠在空間受限的環境中工作。

圖1 PCB板內置式電機的受限內部空間

單相 220 VAC的應用

一些小型電機將PCB安裝在電機本體內以減小整體體積，這類電機主要用於空調室內風機、吊扇、空氣淨化器或通風設備等應用場合，如圖2所示。在這些應用中，電機的普遍額定功率範圍為40~60 W。

圖2 40~60W電機的典型應用場合

在這些應用中，電機通常處於很少或甚至沒有空氣的環境下運行，無法通過空氣對流來釋放熱量，器件需通過PCB板的表面進行散熱，因此當IPM在空間受限的環境中使用時，必須嚴格進行熱損耗計算。

圖3（a）描述了功率FET的熱量通過PCB板釋放的過程。IPM設計時應確保其連接到FET的引線框架能夠與PCB板直接接觸，使產生的熱量直接通過PCB板釋放。

英飛凌的小型3相CIPOSTM Nano IPM系列產品（12 x 12 x 0.9 mm3）因其優異的散熱特性而被這類電機所採用，該產品將一個6通道柵極驅動器和6個MOSFET集成在同一個封裝內，如圖3（b）所示。

由於220 VAC電機驅動應用的母線電壓VDC為311 V，額定電壓500 V 的CIPOS™ Nano IPM能滿足這類應用等電壓要求，同時其還具有過流保護功能，且故障消除時間可通過設置R和C的值來確定。

圖3（c）給出了一個無傳感器電機驅動系統的應用電路，該電路採用了英飛凌電機運動控制IC IRMCF171，其中IPM的故障輸出引腳連接到IRMCF171的GATEKILL引腳，允許控制器在發生故障時關閉所有的柵極控制信號。

圖3 （a）CIPOSTM Nano IPM通過PCB板直接散熱

（b）12x12 mm2 PQFN封裝CIPOSTM Nano IPM

（c）應用電路示例

通過熱量測試測量功率容量

如上所述，CIPOS™ Nano IPM產生的熱量需要通過PCB板來進行釋放，然而這需要通過熱測量進行驗證。圖4（a）給出了PCB佈局和使用熱成像儀對其進行熱測量的結果。CIPOS™ Nano IPM安裝在敷銅為1盎司的PCB板上，在環境溫度25 ℃且沒有氣流的環境中，採用不連續SVPWM方式運行時可輸出電流為500 mA。在三相SVPWM運行方式中，該IPM的輸出電流高達480 mA。此時，當開關頻率為6 kHz時，輸出到電機的功率為65 W左右，如圖4（b）所示。

圖4 （a）PCB佈局和熱成像儀測量結果

（b）PCB敷銅為1盎司時最大電機功率

（c）PCB敷銅為1盎司時增加電機功率

當使用PCB敷銅為2盎司時，可以獲得更大輸出電流。同樣採用6 kHz的開關頻率，此時IPM的電流能力從500 mA增加到580 mA，同比增長16％。如果開關頻率為20 kHz，模塊電流輸出能力可從370 mA增加到460 mA，增加23％。

為了獲得更大的電流輸出能力，可以將絕緣散熱膜直接應用於PCB板上。

圖5 （a）採用絕緣散熱膜PGS+SSM後的最大輸出功率（b）使用絕緣散熱膜後結溫從137 ℃降低到88 ℃

如圖5（b）所示，在PCB板上使用40x40 mm2絕緣散熱膜時，模塊結溫從137 ℃降至88 ℃。此時在6 kHz的開關頻率下，模塊電流能力可從500 mA增加到650 mA，相對增加30％。而在開關頻率20 kHz時，其電流能力可以從370 mA增加到530 mA，相對增加42％。

某些電機應用中會採用額定電壓低於100 VDC的低壓風機。這類風機通常由24 V或48 V的直流電源或電壓60 V以下的電池來供電。對於這類應用，CIPOSTM Nano IPM系列產品中的 40 V/80 A的IRSM005-800MA或100 V/30 A的IRSM005-301MA等半橋低壓IPM能夠滿足其需求。這類IPM的機械設計理念與前面所講的3相IPM相同，其引線框架與封裝表面（即PCB）之間也有著直接的熱接觸。

圖6（a）採用7x8 mm2 PQFN封裝的40 V/80 A和100 V/ 30 A 半橋式低壓CIPOSTM Nano IPM

（b）配有自舉二極管/電容和柵極電阻的應用電路

使用IRSM005系列IPM進行設計時只需要在其外圍電路中增加一個自舉二極管、自舉電容和柵極電阻。通過對這些CIPOSTM Nano IPM系列產品進行靈活的半橋配置，可充分滿足單相應用、H橋或3相應用的需求。

結論：

在本文中，我們已經說明了PCB板內置式電機在空間受限的環境中應用時克服缺少氣流和散熱器的經過驗證的解決方案。在系統設計中需要留有足夠的熱裕量，且在過程中使用熱像儀或其他技術進行計算和測量。

[1] IRSM836-035MA, 3 Phase Nano IPM (500 V 3 A IPM) data sheet

[2] IRSM005-800MA, half bridge Nano IPM (40 V 80 A IPM) data sheet

[3] IRSM005-301MA, half bridge Nano IPM (100 V 30 A IPM) data sheet

[4] IPM Presentation File

[5] Application Note AN-1168