CIPOS? Tiny IM393 - S6FP：高效集成功率模塊的詳細解析

在電子工程領(lǐng)域，對于先進家電電機驅(qū)動應(yīng)用，一款性能卓越且設(shè)計簡便的功率模塊至關(guān)重要。今天，我們就來深入了解英飛凌（Infineon）推出的 CIPOS? Tiny IM393 - S6FP 集成功率混合 IC。

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一、產(chǎn)品概述

IM393 - S6FP 是一款適用于高效風扇和泵等先進家電電機驅(qū)動應(yīng)用的 6A、600V 集成功率混合 IC。它采用英飛凌的先進技術(shù)，將高性能交流電機驅(qū)動器集成在一個隔離封裝中，極大地簡化了設(shè)計流程。這款先進的智能功率模塊（IPM）結(jié)合了英飛凌最新的低 (V_{CE(on)}) 溝槽 IGBT 技術(shù)，在導(dǎo)通和開關(guān)損耗之間實現(xiàn)了最佳平衡，同時還集成了行業(yè)基準的三相高壓、高速驅(qū)動器（與 3.3V 兼容），并采用了完全隔離的熱增強封裝。此外，它還具備內(nèi)置高精度溫度監(jiān)測和過流保護功能，以及短路額定 IGBT 和集成欠壓鎖定功能，提供了高水平的保護和故障安全操作。

二、產(chǎn)品特性

（一）集成功能

• 集成柵極驅(qū)動器和自舉功能：能夠有效驅(qū)動 IGBT，簡化了外部電路設(shè)計。
• 溫度監(jiān)測：內(nèi)置溫度監(jiān)測功能，可實時監(jiān)控模塊溫度，確保其在安全溫度范圍內(nèi)運行。
• 保護關(guān)斷引腳：當出現(xiàn)異常情況時，可通過該引腳快速關(guān)斷模塊，保護設(shè)備安全。

（二）IGBT 技術(shù)

采用低 (V_{CE(on)}) 溝槽 IGBT 技術(shù)，降低了導(dǎo)通損耗，提高了效率。

（三）保護功能

• 欠壓鎖定：所有通道均具備欠壓鎖定功能，防止因電壓過低導(dǎo)致的設(shè)備損壞。
• 交叉導(dǎo)通防止邏輯：避免同一逆變器相的高側(cè)和低側(cè)開關(guān)同時導(dǎo)通，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（四）電氣特性

• 隔離性能：最小隔離電壓為 2000VRMs，且 (CTI > 600)，提供了良好的電氣隔離。
• 輸入邏輯：3.3V 施密特觸發(fā)輸入邏輯，兼容多種控制器輸出。

（五）認證情況

獲得 UL 認證（文件編號：E314539），符合相關(guān)安全標準。

三、引腳配置與描述

（一）引腳分配

（二）引腳詳細描述

• HIN(U, V, W) 和 LIN(U, V, W)：這些引腳為正邏輯，負責控制集成 IGBT。其施密特觸發(fā)輸入閾值確保了與 3.3V 控制器輸出的 LSTTL 和 CMOS 兼容性。內(nèi)部提供約 4kΩ 的下拉電阻，用于在電源啟動時預(yù)偏置輸入，并設(shè)有 ESD 二極管進行引腳保護。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。
• (V_{DD}) 和 COM：(V{DD}) 是控制電源，為輸入邏輯和輸出功率級提供電力。輸入邏輯以 COM 為參考地。欠壓電路確保在電源電壓至少達到典型值 (V{DDUV + } = 10.4V) 時設(shè)備才能正常啟動。當 (V{DD}) 電源電壓低于 (V{Douy. } = 9.4V) 時，IC 會關(guān)閉所有柵極驅(qū)動器功率輸出，防止外部功率開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下出現(xiàn)過低的柵極電壓，從而避免過度功耗。
• (V{B(U, V, W)}) 和 (V{S(U, V, W)})：(V{B}) 到 (V{s}) 是高側(cè)電源電壓。高側(cè)電路可相對于 COM 跟隨外部高側(cè)功率器件發(fā)射極電壓浮動。由于功耗較低，浮動驅(qū)動器級由集成自舉電路供電。欠壓檢測的上升閾值典型值為 (V{BSUV + } = 10.41V)，下降閾值為 (V{BSUV } = 9.4V)。(V_{S(U, V, W)}) 對 COM 具有較高的負電壓耐受性，確保在惡劣條件下設(shè)計的穩(wěn)定性。
• N(U, V, W)：低側(cè)發(fā)射極可用于各相橋臂的電流測量。建議將與 COM 引腳的連接盡可能短，以避免不必要的電感電壓降。
• VTH：模塊中集成了一個 UL 認證的 NTC 熱敏電阻，其一個端子連接到 COM，另一個連接到 VTH。當通過電阻上拉到如 (V_{DD}) 或 3.3V 的電源電壓時，VTH 引腳提供與熱敏電阻溫度對應(yīng)的模擬電壓信號。
• RFE：該引腳集成了三種功能：基于 RC 網(wǎng)絡(luò)的可編程故障清除定時器、故障輸出和使能輸入。正常工作時，(R{rcin}) 將 RFE 引腳拉至 3.3V，使 IPM 所有功能啟用。微控制器可將該引腳拉低以禁用 IPM 功能。當出現(xiàn) (V{DD}) 欠壓或 ITRIP 引腳電壓超過 (V{IT, TH +}) 時，IPM 會通過將 RFE 引腳拉低向微控制器報告故障。可編程故障清除定時器功能可在故障條件消失后的預(yù)設(shè)時間（(T{FLT - CLR})）自動重新啟用模塊操作。

四、電氣參數(shù)

（一）絕對最大額定值

• 模塊：
  • 工作結(jié)溫：-40 ~ 150°C
  • 工作殼溫：-40 ~ 125°C
  • 儲存溫度：-40 ~ 125°C
  • 隔離測試電壓：2000V（AC RMS，1 分鐘，60Hz）
• 逆變器：
  • 阻斷電壓：600V
  • P - N 直流母線電源電壓：450V
  • P - N 直流母線電源電壓（浪涌）：500V
  • 輸出電流：±6A（(T{C} = 25°C)，(T{J} < 150°C)）
  • 峰值輸出電流：±9A（(T{C} = 25°C)，(T{J} < 150°C)，小于 1ms）
  • 每個 IGBT 的功率損耗：18W
  • 短路耐受時間：3μs（(T{J} < 150°C)，(V{DC} = 360V)，(V_{GE} = 15V)）
• 控制：
  • 邏輯電源電壓：-0.3 ~ 20V
  • 輸入電壓：-0.3 ~ 20V
  • 高側(cè)浮動電源電壓：-0.3 ~ 20V

（二）熱特性

• 單個 IGBT 結(jié) - 殼熱阻：典型值 5.8°C/W，最大值 6.8°C/W
• 單個二極管結(jié) - 殼熱阻：典型值 6.6°C/W，最大值 7.7°C/W

（三）推薦工作條件

• 正直流母線輸入電壓：最大 450V
• 低側(cè)控制電源電壓：13.5 ~ 16.5V
• 高側(cè)浮動電源電壓：12.5 ~ 17.5V
• 輸入電壓：0 ~ 5V
• PWM 載波頻率：典型 20kHz
• COM 和 N 之間的電壓（包括浪涌）：-5 ~ 5V
• HIN 和 LIN 之間的外部死區(qū)時間：1μs
• 輸入脈沖寬度：1μs

（四）靜態(tài)參數(shù)

• 逆變器：
  • 集電極 - 發(fā)射極飽和電壓：(I{C} = 3A) 時，典型值 1.5V，最大值 1.95V；(I{C} = 3A)，(T_{J} = 150°C) 時，典型值 1.7V。
  • 集電極 - 發(fā)射極泄漏電流：(V{IN} = 0V)，(V{CE} = 600V) 時，典型值 10μA，最大值 80μA；(V{IN} = 0V)，(V{CE} = 600V)，(T_{J} = 150°C) 時，典型值 80μA。
  • 二極管正向壓降：(I{C} = 3A) 時，典型值 1.5V，最大值 1.95V；(I{C} = 3A)，(T_{J} = 150°C) 時，典型值 1.4V。
• 控制：
  • 邏輯 “1” 輸入電壓：2.5V
  • 邏輯 “0” 輸入電壓：最大值 0.8V
  • (V{DD} / V{BS}) 電源欠壓正向閾值：9.6 ~ 11.2V
  • (V{DD} / V{BS}) 電源欠壓負向閾值：8.6 ~ 10.2V
  • (V{DD} / V{BS}) 電源欠壓鎖定滯后：1V
  • 靜態(tài) (V_{BS}) 電源電流：最大值 150μA
  • 靜態(tài) (V_{DD}) 電源電流：最大值 3.2mA
  • 偏移電源泄漏電流：最大值 50μA
  • LIN、HIN 輸入偏置電流：(V_{IN} = 3.3V) 時，典型值 825μA，最大值 1110μA
  • RFE 輸入偏置電流：(V_{REF} = 3.3V) 時，最大值 1μA
  • ITRIP 輸入偏置電流：(V_{ITRIP} = 3.3V) 時，典型值 4μA，最大值 16μA
  • ITRIP 閾值電壓：0.44 ~ 0.54V
  • ITRIP 輸入滯后：0.07V
  • 自舉電阻：典型值 200Ω
  • RFE 低導(dǎo)通電阻：典型值 50Ω，最大值 100Ω

（五）動態(tài)參數(shù)

• 逆變器：
  • RFE 低電平到六個開關(guān)關(guān)斷傳播延遲：典型值 1.35μs，最大值 1.5μs
  • IGBT 關(guān)斷能量：(V{DC} = 300V)，(I{C} = 3A)，(150°C) 時為 30
  • 反向偏置安全工作區(qū)：(T{J} = 150°C)，(I{C} = 12A)，(V{P} = 600V)，(V{DC} = 450V)，(V_{DD} = +15V) 到 (0V) 時為 FULL SQUARE
• 控制：
  • 輸入濾波時間（HIN、LIN、ITRIP）：典型值 350ns
  • 輸入濾波時間（RFE）：100 ~ 200ns
  • ITRIP 到故障傳播延遲：400 ~ 800ns
  • 內(nèi)部注入死區(qū)時間：190 ~ 420ns
  • 所有通道匹配傳播延遲時間（開和關(guān)）：最大值 50ns

（六）熱敏電阻特性

• 25°C 時電阻：44.65 ~ 49.35kΩ
• 125°C 時電阻：1.27 ~ 1.56kΩ
• B 常數(shù)：3989 ~ 4111K
• 溫度范圍：-40 ~ 125°C

五、機械特性和評級

• 熱阻（殼 - 散熱器）：典型值 0.25°C/W
• 相比漏電起痕指數(shù)（CTI）：600V
• 模塊背面曲率：最大值 150μm
• 安裝扭矩：0.6 ~ 0.8Nm
• 重量：典型值 5.8g

六、應(yīng)用指南

（一）典型應(yīng)用原理圖

• 輸入電路：使用 RC 濾波器（100Ω，1nF）減少輸入信號噪聲，電容應(yīng)靠近 CIPOS? Tiny 放置，尤其是 COM 端子。
• Itrip 電路：為防止保護功能誤操作，建議使用 RC 濾波器，電容應(yīng)靠近 Itrip 和 COM 端子。
• VTH 電路：該端子應(yīng)通過適當電阻上拉到 5V/3.3V 偏置電壓，以定義適合溫度監(jiān)測的電壓。建議在靠近控制器處放置 RC 濾波器。
• VB - VS 電路：高側(cè)浮動電源電壓的電容應(yīng)靠近 VB 和 VS 端子放置，強烈建議添加典型值為 0.1μF 的高頻電容。應(yīng)盡量減少電機和自舉電容的圖案重疊。
• 緩沖電容：CIPOS? Tiny、緩沖電容和分流電阻之間的布線應(yīng)盡可能短。
• 分流電阻：強烈建議使用 SMD 型分流電阻，以最小化其內(nèi)部雜散電感。
• 接地圖案：應(yīng)盡量減少功率地和信號地的圖案重疊，圖案應(yīng)僅在分流電阻的公共端連接以實現(xiàn)相同電位。
• COM 圖案：兩個 COM 端子應(yīng)連接在一起。
• RFE 電路：設(shè)置故障清除時間的 R 和 C 參數(shù)可參考相關(guān)電路圖。由于其為開漏結(jié)構(gòu)，該電阻對于故障輸出報告功能也是必需的。

（二）性能圖表

最大運行電流安全工作區(qū)（SOA）是基于該產(chǎn)品典型特性的一個示例，實際運行條件可能會有所變化。

（三）(T{j}) 與 (T{th}) 的關(guān)系

給出了典型的 (T{j}) 與 (T{th}) 相關(guān)性圖表，適用于正弦調(diào)制，(V{DC} = 300V)，(I{phase} = 5Arms)，(f{sw} = 16kHz)，(f{mod} = 50Hz)，(MI = 0.8)，(PF = 0.6) 的情況。

（四）(-V_{s}) 抗擾度

展示了集成柵極驅(qū)動器的負瞬態(tài) (V_{s}) 安全工作區(qū)。

七、總結(jié)

CIPOS? Tiny IM393 - S6FP 集成功率模塊憑借其豐富的功能、優(yōu)異的電氣性能和良好的熱特性，為先進家電電機驅(qū)動應(yīng)用提供了一個可靠且高效的解決方案。在實際設(shè)計中，工程師們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇工作條件和外圍電路參數(shù)，以充分發(fā)揮該