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，為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,，需要長時間保持待機狀態(tài)，將狀態(tài)信息實時上傳到手機客戶端,；比如工業(yè)自動化方面,，為了提高生產(chǎn)效率，人機交互更順暢,，需要提高電機轉(zhuǎn)速,，增加顯示屏的尺寸，這些都會帶來功耗負(fù)擔(dān),。因此在實際應(yīng)用中,，政府和行業(yè)機構(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,。

　　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)還新增了待機功耗要求，以制冷能力在4.5kW以下的機型為例,，要求待機功耗從原來的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,、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,。

　　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。

　　圖 | 用IPM替代傳統(tǒng)功率模塊的優(yōu)缺點

　　我們以空調(diào)壓縮機控制板為例,，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,。

　　特點一：噪聲低且節(jié)能

　　圖 | 羅姆新一代IPM產(chǎn)品噪聲,、功耗測試結(jié)果

　?。üβ蕮p耗與普通IPM產(chǎn)品同等，且噪聲降低6dB以上）

　　其實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,，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,，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>

　　特點二：高精度溫度監(jiān)控

　　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,，所以溫度輸出的精度相對較差，一般在5%上下,。但在IPM的實際應(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,。”

　　特點三：新增“產(chǎn)品識別功能”

　　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，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,，因為IPM價格可能稍微貴一點,，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,，因為這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,。”

　　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,。因為車廠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,。”