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功率集成模組採用壓鑄模封裝,使可變速驅動更安全可靠和緊湊

本文作者:周錦昌       點擊: 2020-12-17 11:11
前言:
 可變速驅動(VSD)可以非常高效地改變馬達的扭矩和速度,並廣泛用於諸如馬達驅動、伺服和暖通空調(HVAC)等重載應用中。 在採用VSD之前,交流輸出功率只能以電網電力的交流頻率施加,通常在不需要全速時使用機械制動。 因此,根據需求調節速度不僅可以減少能耗,而且可以延長馬達的使用壽命。 實現此目的最常見的一種元件是轉換器-逆變器-制動(CIB)模組。 圖1顯示了CIB模組的基本輪廓。 該模組電路包含3部分: 轉換器,逆變器和制動器。CIB的名字由這些元件的首字母-C,I和B而得來。 在正常運行期間,轉換器級的輸入(圖1中的R / S / T)從電網汲取三相功率,並將交流電調節為直流電。

有兩種常用的三相電壓: 240 V級和400 V級;根據電壓大小,建議使用650 V CIB模組或1200 V CIB模組。轉換器級之後,將立即將電容器連接到直流匯流排,以消除由使用動態功率引起的來自逆變器的電壓紋波。然後,逆變器級將DC輸入斬波為AC輸出來為馬達供電。這可以通過導通和關斷模組此部分中的6-IGBT來實現。輸出電壓/電流通過脈寬調製控制;訊號被構造為產生所需的功率以所需速度和方向驅動馬達。當安森美半導體定義TMPIM電源模組的安培額定值時,電流是指逆變器部分中的IGBT額定值。作為參考,一個1200 V 25 A TMPIM CIB模組將提供5 kW的電動機功率。 35 A TMPIM將輸出7.5 kW; 50 A可提供10 kW,15 kW和20 kW的功率。重要的是要注意,通常提供千瓦輸出功率額定值。如果應用使用不同的控制和冷卻設置,則此額定功率可能會有很大變化。

 
因此,最大輸出功率由功率模組的設計以及如何控制和冷卻模組來定義。 安森美半導體的運動控制線上仿真工具可幫助您選擇最合適的模組。 當馬達停止和減速時,其運行會切換到再生模式。 馬達產生的功率被轉移回直流匯流排電容器。 當產生的功率過大時,會過度充電並損壞電容器。 在這種情況下,制動IGBT導通,將多餘的電流引至與IGBT串聯連接的外部制動電阻器。 這種佈置會耗散過多的再生功率,並使電容器電壓保持在安全水準。

在含風扇、泵和加熱器驅動的應用中,再生功率不顯著,可以移除制動器。 在這種情況下,該模組稱為CI模組,它代表轉換器逆變器模組。
 
圖1:轉換器-逆變器-制動器(CIB)模組的基本架構

創新的封裝用於功率集成模組
通用CIB / CI模組使用凝膠填充封裝,將功率組件封裝在外殼內。 這種方法涉及一個多級製造工藝,但也許更重要的是,它固有地結合了不均勻材料和介面的額外層,這會削弱模組並降低其魯棒性。 安森美半導體開發壓鑄模功率集成模組(TMPIM)挑戰這一規範。 顧名思義,開發的工藝是一種單級封裝技術,可以用相同的材料創建封裝和包圍組件的介質。

壓鑄模工藝消除了對多種材料的需求,包括通常用於容納組件的塑膠盒,膠水和包圍功率元件的密封劑。 除了整體上更高效的製造工藝外,壓鑄模還能提供十倍的溫度迴圈,從而直接提高能效。 這為最終產品的尺寸和形狀提供了更大的靈活性,並提供了更高的可靠性和功率密度。

迄今為止,安森美半導體已採用其TMPIM工藝開發和發佈了許多模組針對功率要求在3.75 kW至10 kW之間的應用,包括六個額定電流分別為25 A,35 A和50 A的1200 V CIB模組。 這些元件採用DIP-26封裝,包括CBI和CI變體。 現在,安森美半導體將擴展其產品系列,提供75 A和100 A電流輸出的1200 V CBI模組,並推出一系列額定電流在35 A和150 A之間的650 V模組。 這些元件將能夠滿足功率要求高達20 kW的應用,並採用QLP封裝配置。 DIP-26封裝的兩側都有端子,而QLP是四邊形的引線框架封裝,所有四個側面都有端子。

封裝增強帶來更高的功率密度
為了適應更高的輸出功率水準,安森美半導體進一步開發了其TMPIM工藝,推出了標準版和增強版。 增強版本採用了先進基板,具有較厚銅層,從而無需底板,使兩種封裝的外形尺寸保持不變。 這使製造商根據其功率需求在兩者之間進行遷移更為簡單。 移除底板比相當的模組減少約57%的體積,同時比標準的TMPIM封裝提高30%熱導率。
 
圖2:安森美半導體的標準板和增強板TMPIM封裝

更長的使用壽命
通過增加所用銅的厚度,封裝具有較低的熱阻和較高的熱品質,而先進的基板進一步提高了模組的可靠性。

如前所述,整個組件,包括晶片、引線框架和焊線,都封裝在形成封裝的相同的環氧樹脂中。 在DIP-26封裝中,CBI和CI模組都有相同的引腳分配。 在CI模組中,制動端子沒有內部連接。

安森美半導體自身的競爭對手分析表明,使用其壓鑄模工藝製造的模組可提供高十倍的溫度迴圈,高3倍的功率迴圈,同時具有更好的導熱性和整體能效。
 
總結
在馬達驅動、伺服和HVAC應用中,VSD通常採用CIB或CI電路的電源模組。 安森美半導體通過創新的TMPIM技術開發功率集成模組,現在能夠以更小的封裝提供更高的能效和功率密度。 





 
 
 

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