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智能功率模块(IPM)的定义、性质及其多样化应用

作者: 浮思特科技2024-04-16 16:24:43

  智能功率模块,简称IPM,实质上是集成了功率开关元件(如IGBT)的电器组件,它之所以被称为“智能”,在于其内置了高级的控制与保护电路设计。这样的设计意图在于提升性能表现,并简化设计者在整体方案构建和实施过程中的负担。


  对于刚进入行业的新手来说,“智能功率模块”这一术语很可能造成混淆。他们可能会直觉地认为这指的是某种融合了处理器的电源模块(比如DC/DC转换器),从而带有数字化处理能力。虽然这种理解并非完全错误,但关键在于明白行业内对IPM的定义更偏向于是一种集成度高、先进技术支持的固态电力开关装置。

功率模块

  智能功率模块(IPM)的关键特性:

  1. 高效的功率开关技术不仅关乎基本的开关动作,而是涵盖了一系列可能融入电源切换应用中的高级功能,这些功能在智能功率模块内都有所体现。

  2. 为了实现迅速的切换动作,栅极驱动电路需要提供适宜的电压和充足的电流。

  3. 栅极驱动逻辑还需设计成可以防止高侧和低侧IGBT同时导通,这一机制有几个不同的称呼,如击穿保护、交叉传导防护或互锁电路。

  4. 保护电路得能够检测并处理过流、过热、短路以及欠压状态,并且如果系统需要记录故障事件或运行温度,也应该包含相应的通信机制。

  5. 针对EMI标准,可能需要特定的开关行为。

  6. 由于空间或成本限制,设计人员可能需要减少开关和导通状态下的能耗,这样可以采用更小的散热器或外壳。

  7. 针对某些情景,功率因数校正(PFC)成为必需。


  总体而言,IPM生产商力求整合尽可能多的特性或功能,以此提升性能、增强制造效率、降低成本、缩减尺寸、提升可靠性、简化部署过程或是加快基于固态电源开关电路的半导体产品推向市场的步伐。


  电压规格的考量:

  智能功率模块主要面向处理高电压需求的市场。“高”所指的相对性质,对于低压系统的工程师而言,即使是50V也可能被定义为高电压,然而在IPM的应用背景下,这个数值实际上是相当低的。


  举例来说,Infineon的CIPOS Nano系列产品的最低最大额定电压是40V,而最高额定电压可达600V,这个系列是Infineon旗下体积最小、功耗最低的产品之一。而Maxi系列产品则能够承受高达1200V的电压,每个IGBT最高可处理50W的功率。


  另一例子是Powerex,他们用“低功率”一词来描述那些额定电流在50A、额定电压在600V的IPM。而更高功率的模块能够处理75A以上的电流。


  智能功率模块的应用领域:

  智能功率模块与电机控制有着最直接的关联,它们同样在不间断电源、逆变器和可再生能源系统等领域中发挥着关键作用。以下列举了由制造商提出的一些具体应用场景:


  家电:风扇、空气净化器、洗衣机、空调、冰箱、吸尘器

  工业:泵、压缩机、暖通空调系统、电梯

  汽车:交流压缩机、油泵、电动汽车的车载充电装置


  智能功率模块极大地推动了为大功率固态开关电路开发出可靠、高效且紧凑方案的过程。这些多用途组件在许多领域都能够发挥作用,随着系统的要求以及性能预期给设计师们带来越发复杂的挑战,智能功率模块的重要性和受欢迎程度将持续上升。