智能功率模塊(IPM)是設計師在低功率電機驅動應用中的首選，特別是在成本和尺寸限制較緊的情況下。一項關于模塊在不同運行條件下熱性能的新研究，幫助設計師準確預測運行溫度、功率和PCB設計，以實現(xiàn)最佳的可靠性、成本和尺寸。

使用智能功率模塊設計

在家用電器和輕工業(yè)驅動中使用的電機控制器通常采用包含使用HVIC技術構建的門驅動器、配置為半橋或三相橋的功率開關以及保護組件的智能功率模塊。

該模塊直接連接電機和托管電機控制算法的處理器，并取代了根據(jù)配置可能高達30個或更多的離散組件。作為一種集成解決方案，智能功率模塊不僅簡化了設計，降低了材料成本，節(jié)省了PCB空間，還提高了可靠性并有助于減少電磁干擾(EMI)。

在大多數(shù)應用中，該模塊旨在無需散熱器即可運行。這進一步降低了材料成本并簡化了組裝。然而，需要仔細的熱設計來確保模塊在最大負載下能夠維持適當?shù)姆€(wěn)態(tài)溫度，從而使系統(tǒng)滿足最低可靠性目標。

IR的μIPM?模塊廣泛應用于無散熱器的逆變器中，用于HVAC設備、風扇、泵、壓縮機和高達150W-250W功率等級的變速驅動。這些模塊采用12mm x 12mm或8mm x 9mm的PQFN封裝，設計用于通過大型電氣接觸焊接在PCB上散熱。

PCB銅線徑的大小和厚度對散發(fā)到環(huán)境中的熱量有重要影響，從而影響模塊的穩(wěn)態(tài)溫度。規(guī)格不足的這些線徑會損害可靠性，而規(guī)格過高則會導致解決方案比實際需要的更大且更昂貴。

通過設計一項實驗，允許在不同功率等級和各種PCB設計下測量μIPM的穩(wěn)態(tài)溫度，IR開發(fā)了一組溫度與功率曲線，為電機控制系統(tǒng)的設計師提供了準確的參考。使用這些曲線可以幫助優(yōu)化熱設計、功率等級和模塊運行溫度，以滿足任何特定應用的成本、尺寸和可靠性限制。

IPM溫度與功率的實驗設置繪圖

通過連接IPM，使已知電流注入構成一個逆變器腿的兩個MOSFET的體二極管，并改變電流，可以檢查PCB金屬化、模塊運行溫度和功率耗散之間的關系。兩個二極管之間的電壓降等同于模塊上的電壓降。因此，測量此電壓可以計算模塊的功率耗散。圖1中的電路圖顯示了測試設置的簡化版本。

使用這種方法而不是分析在驅動實際負載如電機時的逆變器的優(yōu)勢之一是它的簡單性。實驗易于設置和控制，消除了寄生電感和電容、電壓和電流尖峰以及噪音等影響。由于實驗的目的是誘導并測量功率耗散變化引起的溫度變化，直流電流注入的方法及這些影響的缺失不會影響結果的準確性。

使用六種不同大小和厚度的PCB金屬化對熱性能進行評估。表1列出了測試的金屬化模式。

結果

對于每種PCB設計，改變注入到逆變器腿的體二極管的電流，并記錄測試電流和電壓以及模塊的盒溫和環(huán)境溫度，允許分析功率耗散、PCB設計和運行溫度之間的關系。圖2的圖表繪制了在功率耗散下測量的盒溫和環(huán)境之間的溫差(ΔTc-a)。由于PQFN封裝的結-盒熱阻(RTHj-c)非常低，大約為2.2°C/W，可以假設在穩(wěn)態(tài)條件下盒溫等于結溫(Tc=Tj)。

如果模塊用作風扇控制系統(tǒng)的一部分，風扇的旋轉可能對模塊表面有一定的冷卻作用。在熱設計系統(tǒng)期間也應考慮這一點。為了評估這種類型的應用的性能，測試板被放置在一個封閉的箱子里，并在模塊表面測量0.8m/s至1.2m/s的氣流。氣流速度使用風速計測量。圖3比較了兩種PCB金屬化模式的性能，有無風扇冷卻。

熱容量

能夠預測系統(tǒng)在開機后直至達到穩(wěn)態(tài)溫度的熱性能通常是可取的。為了評估這種瞬態(tài)熱性能，系統(tǒng)可以被建模為串聯(lián)的熱阻和熱容。然后可以計算系統(tǒng)的時間常數(shù)，從而預測開機到達穩(wěn)態(tài)之間任何時間的盒溫。

使用具有最小金屬化面積的測試PCB設計，應用了注入電流的階躍變化，從階躍應用開始直至溫度穩(wěn)定，記錄了模塊盒溫。由于在初始和最終溫度下的RTH值已知，測量時間常數(shù)(Tau)允許計算熱容Cth。圖4說明了從應用電流階躍到達到穩(wěn)態(tài)的完整系統(tǒng)的熱時間常數(shù)。

結論

在許多低功率電機驅動中使用的智能功率模塊被封裝在結合了高熱效率和小外形尺寸的高級封裝中。由于模塊通常旨在無需散熱器使用，PCB走線提供的熱散發(fā)對功率等級和可靠性有關鍵影響。

通過對使用各種PCB設計的實驗電機驅動建模其穩(wěn)態(tài)熱性能和熱容量，生成了一組圖表，可以用來準確預測系統(tǒng)行為，使工程師能夠將更經(jīng)濟、更可靠的解決方案推向市場。