探索CIPOS? IKCM20L60GA：控制集成電源系統(tǒng)的卓越之選

在電子工程師的日常工作中，為各類應(yīng)用挑選合適的功率模塊是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。今天，我們將深入探討英飛凌的Control Integrated POwer System（CIPOS?） IKCM20L60GA，這是一款在電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域表現(xiàn)出色的雙列直插式智能功率模塊。

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一、CIPOS? IKCM20L60GA概述

1.1 特點(diǎn)

CIPOS? IKCM20L60GA具有眾多令人矚目的特點(diǎn)。它采用了全隔離雙列直插式封裝，集成了TRENCHSTOP? IGBTs和抗并聯(lián)二極管，并搭配優(yōu)化的SOI柵極驅(qū)動(dòng)器，電氣性能十分出色。其具備的SOI柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)瞬態(tài)和負(fù)電壓具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在(VBS = 15V)時(shí)，允許負(fù)的VS電位高達(dá) -11V用于信號(hào)傳輸。同時(shí)，它還集成了自舉功能、過流關(guān)斷、溫度監(jiān)測(cè)、欠壓鎖定等功能，并且能夠防止交叉導(dǎo)通，在保護(hù)狀態(tài)下所有6個(gè)開關(guān)都會(huì)關(guān)閉。此外，該模塊的引腳采用無鉛電鍍，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 目標(biāo)應(yīng)用

這款模塊適用于多種家電和工業(yè)應(yīng)用，如洗碗機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)、風(fēng)扇以及低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等。它能夠?yàn)檫@些設(shè)備的電機(jī)控制提供可靠的解決方案，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

1.3 描述

CIPOS?模塊家族為集成各種功率和控制組件提供了機(jī)會(huì)，有助于提高系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化PCB尺寸和系統(tǒng)成本。它專門設(shè)計(jì)用于控制三相交流電機(jī)和永磁電機(jī)，適用于變速驅(qū)動(dòng)應(yīng)用，如空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)等。其封裝概念特別適合需要良好熱傳導(dǎo)和電氣隔離，同時(shí)具備EMI安全控制和過載保護(hù)的功率應(yīng)用。

1.4 系統(tǒng)配置

該模塊的系統(tǒng)配置包括3個(gè)帶有TRENCHSTOP? IGBTs和抗并聯(lián)二極管的半橋、一個(gè)三相SOI柵極驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)熱敏電阻，并且引腳到散熱器的間隙距離典型值為1.6mm。

二、引腳配置與說明

2.1 引腳配置

CIPOS? IKCM20L60GA的引腳配置清晰明確，每個(gè)引腳都有其特定的功能。從引腳1到24，涵蓋了高側(cè)和低側(cè)的電源、控制信號(hào)輸入、故障輸出、電流檢測(cè)等多種功能。

2.2 引腳說明

• HIN(U, V, W)和LIN(U, V, W)（低側(cè)和高側(cè)控制引腳，引腳7 - 12）：這些引腳為正邏輯，負(fù)責(zé)控制集成IGBT。其施密特觸發(fā)器輸入閾值可確保與LSTTL和CMOS兼容，最低可兼容3.3V控制器輸出。內(nèi)部提供約5kΩ的下拉電阻，用于在電源啟動(dòng)時(shí)對(duì)輸入進(jìn)行預(yù)偏置，并設(shè)有齊納鉗位用于引腳保護(hù)。輸入施密特觸發(fā)器和噪聲濾波器可有效抑制短輸入脈沖的噪聲。不建議輸入脈沖寬度低于1μs，同時(shí)集成的柵極驅(qū)動(dòng)器具備防止直通的能力，避免同一橋臂的兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器同時(shí)導(dǎo)通，并且驅(qū)動(dòng)器IC還提供典型值為380ns的最小死區(qū)時(shí)間，以減少外部功率開關(guān)的交叉導(dǎo)通。
• VFO（故障輸出和NTC，引腳14）：當(dāng)引腳VDD出現(xiàn)欠壓或ITRIP觸發(fā)過流檢測(cè)時(shí)，VFO引腳會(huì)指示模塊故障，需要外部連接上拉電阻。該引腳還可直接訪問NTC，NTC參考VSS，外部連接到 +5V的上拉電阻可確保得到的電壓能直接連接到微控制器。
• ITRIP（過流檢測(cè)功能，引腳15）：CIPOS?通過將ITRIP輸入與IGBT集電極電流反饋相連，實(shí)現(xiàn)過流檢測(cè)功能。ITRIP比較器閾值（典型值0.47V）參考VSS地，輸入噪聲濾波器（典型值：(t_{ITRIPMIN } = 530ns)）可防止驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到錯(cuò)誤的過流事件。過流檢測(cè)會(huì)在典型值為1000ns的關(guān)斷傳播延遲后，使柵極驅(qū)動(dòng)器的所有輸出關(guān)斷，故障清除時(shí)間設(shè)置為最小40μs。
• VDD, VSS（低側(cè)控制電源和參考，引腳13, 16）：VDD是控制電源，為輸入邏輯和輸出功率級(jí)提供功率，輸入邏輯參考VSS地。欠壓電路在電源電壓至少達(dá)到典型值(V{DDUV+}=12.1V)時(shí)，使設(shè)備能夠上電運(yùn)行。當(dāng)VDD電源電壓低于(V{DDuv- }=10.4V)時(shí)，IC會(huì)關(guān)閉所有柵極驅(qū)動(dòng)器的功率輸出，防止外部功率開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下出現(xiàn)極低的柵極電壓，從而避免過度的功率損耗。
• VB(U, V, W)和VS(U, V, W)（高側(cè)電源，引腳1 - 6）：VB到VS是高側(cè)電源電壓，高側(cè)電路可相對(duì)于VSS跟隨外部高側(cè)功率器件發(fā)射極電壓浮動(dòng)。由于功耗較低，浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器級(jí)由集成自舉電路供電。欠壓檢測(cè)的上升供應(yīng)閾值典型值為(V{BSUV+}=12.1V)，下降閾值為(V{BSUV }=10.4V)。VS(U, V, W)對(duì)VSS的負(fù)電壓具有高達(dá) -50V的瞬態(tài)魯棒性，確保在惡劣條件下設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。
• NW, NV, NU（低側(cè)發(fā)射極，引腳17 - 19）：低側(cè)發(fā)射極可用于測(cè)量每個(gè)相橋臂的電流，建議將與引腳VSS的連接盡可能短，以避免不必要的電感電壓降。
• W, V, U（高側(cè)發(fā)射極和低側(cè)集電極，引腳20 - 22）：這些引腳是電機(jī)U、V、W相的輸入引腳。
• P（正母線輸入電壓，引腳23）：高側(cè)IGBT連接到母線電壓，需注意母線電壓不超過450V。

三、電氣參數(shù)

3.1 絕對(duì)最大額定值

• 模塊部分：存儲(chǔ)溫度范圍為 -40°C到125°C，隔離測(cè)試電壓RMS（f = 60Hz，t = 1min）為2000V，工作外殼溫度范圍為 -40°C到125°C。
• 逆變器部分：最大阻斷電壓為600V，P - N之間的直流母線電源電壓為450V，P - N之間的直流母線電源電壓（浪涌）為500V，輸出電流在不同條件下有所不同，最大峰值輸出電流（小于1ms）為 -40A到40A，短路耐受時(shí)間（VDC ≤ 400V，TJ = 150°C）為5μs，每個(gè)IGBT的功率耗散為29.2W，工作結(jié)溫范圍為 -40°C到150°C，單個(gè)IGBT的結(jié) - 殼熱阻為4.28K/W，單個(gè)二極管的結(jié) - 殼熱阻為4.87K/W。
• 控制部分：模塊電源電壓為 -1V到20V，高側(cè)浮動(dòng)電源電壓（VB vs. VS）為 -1V到20V，輸入電壓（LIN, HIN, ITRIP）為 -1V到10V，開關(guān)頻率為20kHz，允許的短路次數(shù)小于1000次，短路之間的時(shí)間大于1s。

3.2 推薦操作條件

所有電壓均為相對(duì)于Vss電位的絕對(duì)電壓，除非另有說明。直流母線電源電壓（P - N）為0V到400V，高側(cè)浮動(dòng)電源電壓（VB vs. VS）為13.5V到18.5V，低側(cè)電源電壓為14.5V到18.5V，控制電源變化為 -1V/μs到1V/μs，邏輯輸入電壓（LIN, HIN, ITRIP）為0V到5V，VSS - N之間（包括浪涌）為 -5V到5V。

3.3 靜態(tài)參數(shù)

在(V{DD}=15V)和(T{J}=25°C)（除非另有說明）的條件下，包含集電極 - 發(fā)射極飽和電壓、二極管正向電壓、集電極 - 發(fā)射極泄漏電流、邏輯“1”和“0”輸入電壓、ITRIP正向閾值、ITRIP輸入滯回、VDD和VBS電源欠壓正向和負(fù)向閾值、VDD和VBS電源欠壓鎖定滯回、輸入鉗位電壓、靜態(tài)VBx電源電流、靜態(tài)VDD電源電流、輸入偏置電流、ITRIP輸入偏置電流、VFO輸入偏置電流和VFO輸出電壓等參數(shù)。

3.4 動(dòng)態(tài)參數(shù)

同樣在(V{DD}=15V)和(T{J}=25°C)（除非另有說明）的條件下，涵蓋了導(dǎo)通傳播延遲時(shí)間、導(dǎo)通上升時(shí)間、導(dǎo)通開關(guān)時(shí)間、反向恢復(fù)時(shí)間、關(guān)斷傳播延遲時(shí)間、關(guān)斷下降時(shí)間、關(guān)斷開關(guān)時(shí)間、短路傳播延遲時(shí)間、輸入濾波時(shí)間（ITRIP和LIN, HIN）、故障清除時(shí)間、低側(cè)和高側(cè)之間的死區(qū)時(shí)間、柵極驅(qū)動(dòng)電路的死區(qū)時(shí)間、IGBT導(dǎo)通能量、IGBT關(guān)斷能量和二極管恢復(fù)能量等參數(shù)。

3.5 自舉參數(shù)

在(T_{J}=25°C)（除非另有說明）的條件下，包括重復(fù)峰值反向電壓、U相自舉二極管電阻、反向恢復(fù)時(shí)間和正向電壓降等參數(shù)。

3.6 熱敏電阻參數(shù)

熱敏電阻在不同溫度下具有不同的電阻值，25°C時(shí)的電阻典型值為85kΩ，NTC的B常數(shù)（25/100）典型值為4092K，并給出了不同溫度下電阻的最小值、典型值和最大值。

四、機(jī)械特性和額定值

• 安裝扭矩：使用M3螺絲和墊圈時(shí)，安裝扭矩為0.59Nm到0.78Nm，典型值為0.69Nm。
• 平整度：參考特定圖形，平整度范圍為 -50μm到100μm。
• 重量：典型值為6.15g。

五、典型應(yīng)用電路

5.1 輸入電路

為減少高速開關(guān)引起的輸入信號(hào)噪聲，應(yīng)安裝(RIN)和(C{IN})濾波電路（100Ω，1nF），(C{IN})應(yīng)盡可能靠近(Vss)引腳放置。

5.2 Itrip電路

為防止保護(hù)功能出錯(cuò)，(CITRIP)應(yīng)盡可能靠近Itrip和(Vss)引腳放置。

5.3 VFO電路

VFO輸出是開漏輸出，該信號(hào)線應(yīng)用適當(dāng)?shù)碾娮?Rpu)上拉到5V/3.3V邏輯電源的正極。建議將RC濾波器盡可能靠近控制器放置。

5.4 VB - VS電路

高側(cè)浮動(dòng)電源電壓的電容器應(yīng)盡可能靠近VB和VS引腳放置。

5.5 緩沖電容器

CIPOS? Mini與緩沖電容器（包括分流電阻）之間的布線應(yīng)盡可能短。

5.6 分流電阻

應(yīng)使用SMD型分流電阻以減少其雜散電感。

5.7 接地模式

接地模式應(yīng)在分流電阻的一點(diǎn)處盡可能短地分開。

六、總結(jié)

CIPOS? IKCM20L60GA是一款功能強(qiáng)大、性能卓越的控制集成電源系統(tǒng)模塊。它在多個(gè)方面表現(xiàn)出色，能夠?yàn)楦黝愲姍C(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供可靠的解決方案。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，可根據(jù)其詳細(xì)的電氣參數(shù)和典型應(yīng)用電路進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該模塊的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在使用過程中，務(wù)必注意其絕對(duì)最大額定值和推薦操作條件，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。你在實(shí)際應(yīng)用中是否使用過類似的模塊？遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。