當前消費電子產品技術日新月異，同時綠色、環保、節能的思想也逐漸深入人心，能效問題日益成為產品設計中關注的焦點，高效節能已是大勢所趨。作為電子設計的關鍵元器件，半導體產品發揮著至關重要的作用。工程師通過對半導體器件的材料、結構、工藝等方面的不同設計，為各種應用需求提供相應的解決方案。
與我們日常生活密切相關的空調、電冰箱、洗衣機等白家電產品，在設計中需要考慮到尺寸、能效、成本及外觀設計等因素。推動高能效創新的安森美半導體開發出緊湊的變頻器智能功率模塊(IPM)，以及集成功率因數校正（PFC）轉換器及三相變頻器的“二合一”IPM，采用獨特的絕緣金屬基板技術(IMST®)，可靠、性價比高，同時提供高能效和低噪聲，極適合白家電產品應用。其二合一IPM STK57FU391A-E獲得今日電子與21ic.com聯合舉辦的中國第十二屆年度TOP-10電源產品獎中的兩個獎項：“Top 10電源產品獎”及“技術突破獎”，彰顯安森美半導體推動高能效創新的實力。
安森美半導體獨特的絕緣金屬基板技術（IMST）
安森美半導體是全球首家開發出變頻器IPM使用IMST技術的公司。IMST技術采用低熱阻、高導熱的絕緣材料將銅箔和金屬基板即鋁基板壓合在一起，金屬的高熱傳導率使功率輸出電路、控制電路及模塊外圍電路能夠貼裝在同一基板上。此技術具有7大技術優勢，包括：易于集成和減少元件數量以降低總成本、內置外圍電路簡化PCB設計以縮短終端產品的設計時間、提供更靈敏更高精度的溫度檢測以實現更可靠的散熱保護、噪聲抑制、降低浪涌電壓、提升能效和降低能耗，以及單列直插式 (SIP) 型封裝優勢。
基于IMST的IPM模塊
安森美半導體基于IMST技術的IPM模塊，型號包含單分流電阻型和3分流電阻型（如表一所示），它將高壓IC (HVIC)、高擊穿電壓及大電流IGBT、快速恢復二極管、門極電阻、用于驅動上邊IGBT及IGBT門極電阻的啟動二極管、用于檢測發熱的熱敏電阻、用于過流保護的分流電阻等元器件高密度貼裝封裝在一起 (如圖1所示)，能驅動從10 A至50 A輸出負載電流，提供低損耗、低噪聲。
表1：安森美半導體IPM模塊產品陣容。
圖1：基于IMST技術的IPM模塊集成多種元器件。
集成PFC及3相逆變的二合一IPM應用于變頻空調
因應減小尺寸并提升能效的趨勢，安森美半導體IPM已發展至下一代高能效二合一IPM，其 STK57F-3xx系列IPM將升壓PFC轉換器和3相變頻器（STK551-xxx系列、STK554-xxx系列為壓縮電機提供驅動，STK5C4Uxxx系列為風扇電機提供驅動）合二為一（參見圖2），不僅提供高能效電路，還大幅減少元器件數量，節省PCB占用空間，縮短開發時間，降低組裝成本，加快上市進程。
圖2. 安森美半導體用于變頻空調的二合一 IPM。
安森美半導體開發適用于更大電流、更高功率應用的交錯式PFC二合一IPM。見圖3，它在單個封裝中集成交錯式PFC轉換器、三相變頻器輸出段、預驅動電路以及保護電路。交錯式PFC是在原本單個較大功率PFC段的地方并行放置2個功率為一半的較小功率PFC段來替代。這兩個較小的PFC段以180°的相移交替工作，它們在輸入端或輸出端累加時，每相電流紋波的主要部分將抵消。
圖3. 交錯式PFC二合一IPM。
高能效單相PFC應用途徑包括：連續導電模式（CCM）升壓PFC，交錯式PFC和無橋交錯式PFC。CCM升壓PFC電路作為我們的基礎電路，交錯式PFC實際就是2個升壓電路并聯，MOS管交錯導通。雖然和CCM升壓PFC產生相同的二極管橋損耗，但是交錯式PFC可分散電源從而提升能效，而無橋交錯式PFC在交錯式PFC結構的基礎上去掉二極管整流橋，使得反應器尺寸減小40%，交流-直流轉換損耗減少50%，參見圖4。
圖4. 高能效單相PFC應用途徑。
二合一IPM vs.其它方案
以變頻空調為例，當采用分立結構時，電路元器件總數量高達15個，所占PCB面積達121.2 cm2，而二合一IPM結構集成度更高，元器件總數量減少至6個，所占PCB面積減小至87.5 cm2。
同等工作條件下（以輸入電壓220 V，功率4 kW為例，見圖5），二合一IPM結構比分立結構提供更高的工作頻率，交錯式PFC系統總損耗比分立結構減少28.1 W，而無橋交錯式PFC將系統總損耗降低38%。成本方面，更小的尺寸更易于設計，便于采用模塊化的方案，縮短設計周期，降低開發成本。集成度更高的二合一IPM結構可將升壓線圈布設在電路板上，降低了組裝成本，而且由于拓撲結構不同，普通的升壓PFC二合一IPM、交錯式PFC二合一IPM和無橋交錯式PFC二合一IPM的磁芯尺寸依次縮小至分立結構的79%、33%和20%，系統總成本由分立結構的29.7美元依次縮減至28.7美元、28.6美元、28.3美元。
圖5. 用于PFC系統的PFC總損耗及成本比較。
總結
安森美半導體創新的IMST技術可靠且性價比高，同時提供高能效和低噪聲，而基于此技術更進一步的二合一IPM STK57FU/5MFU，由于在單個封裝中集成PFC轉換器和變頻器，大幅減少元器件數量，減少PCB所占空間，降低組裝成本，降低能耗并提升能效。其關鍵特性包括：內置過流保護和過壓保護功能、內置熱敏電阻可監測溫度、能夠使用內置IPM的啟動電路來實現單電源驅動、內置防止上邊/下邊晶體管同時導通的電路，是白家電應用的理想方案。
供稿：安森美半導體