IPM正大規(guī)模替代傳統(tǒng)功率模塊

政策驅(qū)動家電核工業(yè)自動化行業(yè)能效變革

隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及以及工業(yè)智能化的提速，智能設(shè)備數(shù)量在不斷攀升，耗電總量也越來越高。比如家電方面，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要長時間保持待機(jī)狀態(tài)，將狀態(tài)信息實(shí)時上傳到手機(jī)客戶端；比如工業(yè)自動化方面，為了提高生產(chǎn)效率，人機(jī)交互更順暢，需要提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，增加顯示屏的尺寸，這些都會帶來功耗負(fù)擔(dān)。因此在實(shí)際應(yīng)用中，政府和行業(yè)機(jī)構(gòu)對于家電產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品的能耗要求越來越嚴(yán)格，從技術(shù)的角度來看，就是要求功率轉(zhuǎn)換的效率越來越高。

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圖 | 全球變頻空調(diào)占比情況，信息源：羅姆調(diào)查數(shù)據(jù)

以全球年均出貨量在1.5億臺左右的空調(diào)行業(yè)為例，各國對其能耗的限制日益嚴(yán)苛。2020年7月1日，中國實(shí)施了新能效標(biāo)準(zhǔn)GB21455-2019，要求空調(diào)產(chǎn)品效率達(dá)到80%以上。為了滿足這些要求，現(xiàn)在的空調(diào)都是往變頻方向轉(zhuǎn)變，原來的定頻空調(diào)基本已被市場淘汰。此外，新標(biāo)準(zhǔn)還新增了待機(jī)功耗要求，以制冷能力在4.5kW以下的機(jī)型為例，要求待機(jī)功耗從原來的3W降至1W以下。對于制造企業(yè)來說，如何在更短的時間內(nèi)開發(fā)出更好、更多類型的產(chǎn)品，是目前面臨的主要問題，它需要生產(chǎn)設(shè)計平臺盡量地標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，而對于功率器件來說，用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的趨勢非常明顯。

用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的優(yōu)劣勢分析

什么是IPM？IPM是英文Intelligent Power Module的縮寫，翻譯到中文就是智能功率模塊。以開關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點(diǎn)在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

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圖 | IPM與傳統(tǒng)功率模塊的區(qū)別

那么，它跟普通的功率模塊到底有什么區(qū)別呢？普通功率模塊是通過一些應(yīng)用把需要用到的一些功率器件集合在一個封裝里面，這對于設(shè)計來說，還需要外圍能夠匹配更合適的驅(qū)動，和大量的外圍電路才能驅(qū)動功率模塊。而對于IPM來說，它不僅僅把功率器件集成進(jìn)去了，還把相應(yīng)的驅(qū)動電路以及周邊的保護(hù)電路全部集成到了模塊里邊。對于工程師來說，可以像控制邏輯器件一樣來控制功率模塊，非常方便。

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圖 | 用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的優(yōu)缺點(diǎn)

我們以空調(diào)壓縮機(jī)控制板為例，來對比一下普通功率模塊和IPM的優(yōu)劣情況。如圖所示，左邊藍(lán)色邊框內(nèi)是以往的功率驅(qū)動板，它是把功率器件、驅(qū)動電路和電流檢測保護(hù)電路分布在板子上，達(dá)到功率轉(zhuǎn)換的一個電路。右邊紅色邊框內(nèi)是IPM的方案，我們可以非常直觀地看到，對于節(jié)省空間和易于設(shè)計這兩個方面來說，IPM占有很大的優(yōu)勢。但是，在某些性能指標(biāo)上面，由于分離器件可以更靈活地對外圍器件做調(diào)整，具有一定的優(yōu)勢。不過，隨著新一代IPM性能的提升，調(diào)整電路的要求開始弱化，IPM適用的場景越來越多。

新一代IPM的特點(diǎn)是什么？

新一代IPM的主要性能體現(xiàn)在哪里呢？我們以羅姆近期推出的600V耐壓IGBT IPM “BM6437x系列”為例，總結(jié)了IPM的三大特點(diǎn)。

特點(diǎn)一：噪聲低且節(jié)能

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圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品噪聲、功耗測試結(jié)果
（功率損耗與普通IPM產(chǎn)品同等，且噪聲降低6dB以上）

其實(shí)低噪聲和低功耗是一對矛盾體，羅姆半導(dǎo)體（上海）有限公司技術(shù)中心高級經(jīng)理顧偉俊表示：“降噪不僅僅是通過一些工藝的改善，尤其是針對EMI降噪，它跟IPM模塊里邊的IGBT的開關(guān)速度有一個直接的關(guān)系，IGBT的開關(guān)速度越快，噪音就會越大，它跟損耗是相關(guān)聯(lián)的，為了保證減少損耗，要求開關(guān)速度盡可能地快。要同時達(dá)到這兩點(diǎn)，只能通過各個功率器件之間的完美匹配，通過驅(qū)動電路的阻抗匹配，通過各個器件之間的噪音的等級，包括我們IGBT的管子，包括快恢復(fù)管，包括其他的HVIC里邊的邏輯電路的影響。把這些因素全部綜合考慮，然后找到一個平衡點(diǎn)，才能起到一個降噪的過程，這也是羅姆新一代的IPM BM6437x系列所采用的策略?！?/p>

特點(diǎn)二：高精度溫度監(jiān)控

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圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品溫度監(jiān)控測試結(jié)果

在普通的IPM產(chǎn)品中雖然也有溫度輸出功能，在靠近主功率器件的HVIC上面，但不是關(guān)注的重點(diǎn)，所以溫度輸出的精度相對較差，一般在5%上下。但在IPM的實(shí)際應(yīng)用過程中，溫度監(jiān)控可以體現(xiàn)整個系統(tǒng)是否能夠安全、可靠地工作，溫度輸出的誤差越大，必須考量的余量就越大，對于IPM的使用限制就會越多，有些客戶為了保障產(chǎn)品性能的最大提高，會采用外置的熱敏電阻來增加可靠的溫度檢測，這將額外地增加成本。

顧偉俊表示：“羅姆新一代IPM將溫度輸出的精度設(shè)計到與外置熱敏電阻基本相同的2%的精度，在同樣的應(yīng)用中完全可以省略掉外置熱敏電阻等外圍電路，既能節(jié)約成本，又能加快開發(fā)速度。”

特點(diǎn)三：新增“產(chǎn)品識別功能”

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圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品新增“產(chǎn)品識別功能”

熟悉功率模塊或系統(tǒng)開發(fā)的人知道，考慮到散熱的問題，普通的IPM背面有一個很大的散熱片，所以產(chǎn)品標(biāo)簽都是印在了IPM的背面。當(dāng)IPM插上PCB板，試裝完以后，我們將看不到實(shí)際的標(biāo)簽，所以無法通過光學(xué)的手段辨別出采用型號是否正確。

顧偉俊表示：“為了便于在線測試的時候不會產(chǎn)生誤操作或者是混入其他的料號，羅姆根據(jù)客戶的需求，在新一代的IPM開發(fā)的時候，增加了產(chǎn)品識別功能，通過阻抗測量儀能夠區(qū)分不同的型號以及是否是其他廠商產(chǎn)品混入的狀態(tài)，能夠支持客戶在線檢測出料號是否正確，大大保障了生產(chǎn)的可靠性。”

IPM的普及程度如何？

分析完IPM的需求、優(yōu)劣勢以及新一代IPM的技術(shù)參數(shù)，我們再來聊一聊市場。
我們再以空調(diào)行業(yè)為例，目前在變頻空調(diào)領(lǐng)域，80%~90%以上的機(jī)型全都使用了IPM，IPM基本上已經(jīng)是發(fā)展的主流了。此外，現(xiàn)在空調(diào)的開發(fā)周期，國外一般是兩年或者兩年以上的周期，國內(nèi)的話，開發(fā)周期非常短，基本上六個月以內(nèi)必須要有產(chǎn)品上市，所以再用分離器件的話，連測試的周期都不能保證，IPM的應(yīng)用已經(jīng)不可避免。其實(shí)，現(xiàn)在不僅僅是空調(diào)行業(yè)，在通用工業(yè)伺服領(lǐng)域，7kW以內(nèi)的產(chǎn)品也在大批量采用IPM。

顧偉俊表示：“最早期的時候，因?yàn)镮PM價格可能稍微貴一點(diǎn)，所以分離器件用的還比較多，現(xiàn)在IPM價格并不是太大的障礙了，而對于實(shí)際生產(chǎn)來說，用分離器件不可避免地在生產(chǎn)制造過程中會有很多的品質(zhì)問題，因?yàn)檫@么多器件要求保證穩(wěn)定，對于生產(chǎn)保障要求非常高。但I(xiàn)PM基本上避免了這些問題，所以制造商現(xiàn)在對于IPM的接受程度已經(jīng)很高了?！?/p>

結(jié)語

IPM大規(guī)模替代傳統(tǒng)功率模塊已成定局，而值得一提的是，在汽車電動化變革勢不可擋的今天，就IPM車規(guī)化的進(jìn)程與目前的瓶頸，顧偉俊告訴與非網(wǎng)，“目前市場上很少有能滿足車企需要的IPM的產(chǎn)品應(yīng)用，而對于生產(chǎn)廠家來說，最大的問題之一就是原來面向工控的產(chǎn)品如何能夠滿足車規(guī)級的要求。因?yàn)檐噺S對于功率器件的要求是非常嚴(yán)格的，包括性能，包括性能的保障，可靠性方面要進(jìn)一步的保障，如何保證產(chǎn)品不壞，異常的時候如何維持正常的工作，這些問題都是以前工業(yè)級別的時候不需要討論的問題，對于車規(guī)市場來說，是必須要解決的問題，所以IPM的開發(fā)也是針對于客戶的要求不斷地改善電路的一個過程，尤其是在保護(hù)和應(yīng)用上面，如何達(dá)到車規(guī)級的要求，也是一個不斷地增加電路復(fù)雜程度的過程?！?/p>

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