本文介紹了英飛凌新發布的IPM IM564-X6D的基本性能，展示了一款2.8kW MADK-IM564-X6D評估板的設計電路，PCB布局和測試結果，體現了該IPM(intelligent power module智能功率模塊)在系統系統設計應用中的諸多優點：簡易方便，功能強大，功率密度高和散熱性強等性能。
1. IPM CIPOS™ Mini家族推出的新成員
電機驅動的高集成化，高穩定性和高能效化，系統的小型化，輕量化和低成本化是工業和家電行業一直追求的目標，也是英飛凌IPM的技術發展方向。經過長期的市場調研，規格定義和研發測試，今年二月，英飛凌正式發布了IPM CIPOS™ Mini新的成員IM564-X6D。
IM564-X6D(36mmx21mm)器件尺寸小巧，CIPOS™ Mini系列管腳兼容，功能完善，散熱能力強，集成度高和可靠性強。具體來講，可以分為如下幾個功能單元部分。
- PFC(power factor correction功率因數校正)部分：集成了一個600V CoolMOS™ P7 MOSFET和一個650V Rapid二極管，由此可以提高PFC開關頻率到50kHz，減小PFC電感尺寸，并可通過軟恢復的方式減小EMI。
- 逆變部分：包含6個600V TRENCHSTOP™ IGBTs，6個反向并聯二極管和一個SOI (silicon on insulator絕緣體上硅)門級驅動器。
- 保護功能：內置高精度NTC熱敏電阻，可用于溫度監控和保護；防止內部IGBT橋臂直通；過流短路時的ITRIP微秒級硬件快速保護；欠壓自鎖功能。
- 其它功能：休眠模式可以降低整機的待機損耗。集成上管自舉驅動二極管。
- DCB (direct copper bond陶瓷直接覆銅)基板，DCB(約27.5mm x 10mm)封裝實現了該IPM卓越的散熱能力和超小的封裝尺寸。
圖1：IM564-X6D器件的內部框圖和器件圖片
2. MADK評估板發布
為了充分展示IM564的出色性能和優秀特點，設計了一款2.8kW的MADK(Modular Application Design Kit)評估板，如下圖2所示。其中散熱器左邊為低壓控制驅動和輔助電源電路，右邊為高壓大電流功率部分。散熱器用于整流橋和IPM模塊散熱，強制風冷。
圖2：評估板正視圖及其主要器件位置
評估板的功能框圖如圖3所示，其中黃色部分為IPM IM564模塊。220V交流輸入經過EMI濾波電路和軟起保護，經過整流橋，IM564經過內部的PFC和三相逆變后，輸出控制馬達電機。可以看出，IPM IM564的高度集成度大大簡化了系統設計。
圖3. 評估板的功能框圖
為了驗證評估板的PFC功能，外接iMotion評估板EVAL-M3-102T作為控制器，測試條件為輸入電壓220V，頻率50Hz，輸入功率2.4kW，PFC開關頻率Fsw=50kHz，PFC電感電流測試波形如圖4所示。
圖4. PFC功能部分電感電流測試波形
PFC MOSFET驅動電壓Vgs和漏源極電壓應力Vds波形如圖5所示，其中通道1為PFC電感電流，通道2為PFC MOSFET Vds，通道3為PFC MOSFET Vds。可以看出，MOSFET的Vgs驅動波形比較平滑干凈，Vds尖峰非常小。
圖5. PFC功能部分MOSFET測試波形
為了驗證評估板的散熱能力和帶載能力，通過熱電偶測試IPM模塊DCB溫升，根據Datasheet標識的熱源分布點，粘接點分別靠近MOSFET和IGBT結，得到如圖6所示的結果。在環境溫度25℃條件下，當負載達到2.8kW時，MOSFET的結溫接近85℃，足見IPM模塊的超強散熱能力。
圖6. IPM結溫和評估板輸出能力關系
3. 系統設計要點分享和經驗總結
1）信噪比
圖7. PFC電阻差分采樣電路和layout圖
良好的信噪比設計是保障PFC和逆變控制的關鍵，使用差分放大器可以大大降低對共模噪聲的影響，從而降低PCB布線層面的限制。差分運放參數需要對稱配置，電阻越對稱共模抑制比越高。圖7所示為差分采樣電路的原理圖和layout走線，其中電路采樣信號從電阻中間引出來，在PCB板上平行走線。
2）自舉電路
自舉電容用來給上管驅動提供能量，電容容值大小需要根據IPM內置IGBT的開關頻率來計算，計算方法請參考附件中的應用筆記。PCB布局走線時需要注意，電容需要盡量靠近IPM的管腳放置，由于充放電電流比較大，銅箔走線走線盡量保證短而粗。同時，3組自舉電容之間，需要按照實際的工作電壓，留足足夠的電氣間隙距離和爬電距離，如圖8所示。
圖8. IPM自舉電容電路和layout
3）風扇風速調節
評估板在輕載運行時，整體損耗小，風扇低速轉動，可以節能和減少風扇噪音。當重載時，風扇高速轉動。所以設計了如圖9所示的PFC采樣電流補償風扇驅動電壓電路。風扇的驅動電壓可以隨著輸出功率的變化，在大約9V到12V之間變化。
圖9. PFC電流采樣補償控制風扇驅動電壓電路
4）散熱設計考量
IM564尺寸小，功率大，如何將IPM內部的熱盡快散發出去是評估板設計的難點之一。根據如圖10所示的IPM內部垂直結構圖和模塊測溫點，需要盡量將DCB部分放置在鋁散熱器的中心。散熱器表面需要保證足夠的平整度，涂抹散熱硅脂的厚度要恰當。散熱器翅片頂端貼上NOMEX紙，可加速空氣流動，快速散熱。
圖10. IPM IM564內部垂直結構圖和熱測試點
5）PFC電感設計
由于集成了CoolMOS™ P7 MOSFET和一個650V Rapid二極管，PFC開關頻率設定提升為50kHz，由此可以減小PFC電感的體積，重量，布板面積和成本。目前應用在50kHz頻率的磁芯主要有粉心和鐵氧體材質，兩種材質的特性如下：
我們選擇鉑科(POCO)粉心系列NPH-L系列，該系列磁芯可以在50kHz到200kHz的寬范圍頻率內工作。PFC電感的參數為：感量520μH，磁芯NPH184060-L，繞組線徑φ1.0*3，圈數為62，外徑×內徑×高度=47.63×23.32×18.92 mm。感量與電流的直流偏置性能曲線如下圖所示。
圖11. PFC電感直流偏置曲線
4.評估板的獲取和技術支持
可以通過訪問英飛凌官網，了解本評估板。另外，訪問www.infineon.com/MADK可以搜索到評估板的介紹和應用筆記。訪問www.infineon.com/IPM可以找到IPM器件的技術資料。
參考文獻:
[1]Application Note AN2019-04_EVAL-M3-IM564 User Manual_V1.3_EN
[2]Datasheet of Infineon CIPOS™ miniIPM IM564-X6D/IM564-X6DS
[3]Application Note AN2016-10 CIPOS Mini Technical Description
[4] AN2018-02 EVAL-M3-102T User manual
