面向变频家电应用的SLIMDIP™智能功率模块
发布日期：2022-08-03 16:44浏览次数：15390
摘 要
近几年三菱电机针对变频家电应用陆续推出了SLIMDIP™系列产品，与之前的产品相比，SLIMDIP™首次采用了RC-IGBT芯片，为使工程师们更好的了解和应用SLIMDIP™产品，本文将对SLIMDIP™系列产品的技术特点、产品系列、应用领域、选型推荐、与之前超小型产品的主要区别等进行针对性的介绍。
三菱电机于1997年在全球率先推出DIPIPM™（双列直插智能功率模块）产品，并首先在日本变频空调上使用，截止到2022年4月，超过10亿片的DIPIPM™产品被应用到了以家电为主的小功率变频应用中。三菱电机DIPIPM™产品之所以能够在市场获得成功，得到客户的认可，与三菱电机在产品方面能够不断根据市场变化开发出适合市场需求的产品息息相关。随着人们对环境保护的日益重视，节能环保的产品在市场受到欢迎，特别是以变频空调为代表的变频家电产品市场占有率不断扩大，为了满足变频家电等中小功率变频应用对体积与成本的更高追求，三菱电机近几年又推出了SLIMDIP™系列产品，该产品首次采用了RC-IGBT（逆导型IGBT）芯片，与前一代的超小型产品相比，SLIMDIP™系列体积更小，且增加了适合高频应用的产品。SLIMDIP™系列产品的应用领域主要聚焦于中小功率的家电及工业领域，这些领域通常要求产品质量稳定､能大批量生产､产品性价比高等特点。本文将重点围绕SLIMDIP™ 产品系列、技术特点及应用推荐进行讨论，以使工程师们能够选择使用好SLIMDIP™产品。
三菱电机于2015年首先开发成功SLIMDIP-L产品，并向市场进行推广。此后SLIMDIP™系列又先后开发了SLIMDIP-S､SLIMDIP-W ,SLIMDIP-M､SLIMDIP-X等产品，使产品的规格进一步完善，下表1为现有SLIMDIP™产品列表，未来还会推出更大电流等级（比如600V/30A）的SLIMDIP™产品，以适应更大功率范围的应用。
与之前三菱电机DIPIPM™产品相比，SLIMDIP™产品的功率芯片采用了全新的RC-IGBT芯片，它没有沿用超小型系列主要以IGBT芯片代数为基础的命名方法，而是采用后缀的字母来表示其额定电流、电压的新命名方法。尽管命名方法与之前的产品存在差异，但是其产品设计理念、工作原理、封装结构、加工工艺、配置功能等方面与之前的超小型系列产品相比仍具有极大相似性，超小型系列产品的应用经验仍适用于SLIMDIP™系列产品。
作为三菱电机DIPIPM™大家庭的一员，SLIMDIP™系列也是采用了压注模封装结构，图1给出了第6代超小型DIPIPM™､SLIMDIP™系列的外观图。从外观图可以看出，第6代超小型DIPIPM™与SLIMDIP™产品均采用了压注模工艺、管脚为双列直插型式、使用铜箔对外散热。与超小型尺寸相比，SLIMDIP™尺寸减小了约30%。图2给出了DIPIPM™系列产品内部结构图，SLIMDIP™内部结构继续沿用了与超小型类似的封装结构，采用了一次压注模成型工艺，散热部分采用绝缘导热垫片加铜箔的散热结构，与之前的产品相比，由于采用了RC-IGBT芯片，SLIMDIP™不再需要将反并联二极管芯片进行封装，因此其内部元器件的数量比之前采用常规IGBT芯片的模块减少了6只，内部元器件的减少，使SLIMDIP™的尺寸缩小成为可能，生产效率可以得到提升。
通过技术创新，提高产品性能､提升生产效率､降低产品成本是三菱电机一直追求的目标，图3是三菱电机DIPIPM™封装结构演变示意图，每一代DIPIPM™的产品更迭其尺寸都在不断减小， SLIMDIP™尺寸大约只相当于第2代产品的1/4。加工工艺方面，第2代产品采用的是带铝块的两次压注模工艺，第3代小型产品采用的是全塑封的一次压注模工艺，而第4代产品和SLIMDIP™采用了一次压注模工艺，散热结构采用了新的绝缘导热垫片结构，这些封装工艺的变化，一方面提升了生产效率，另一方面也使产品的散热性能得到了大幅提高。通过技术进步，提升产品性能､降低产品成本，使三菱电机DIPIPM™在过去的25年里在中小功率的变频应用特别是在变频家电领域得到了市场的广泛认可，也为变频家电的普及起到了推动作用，为保护环境､保护地球､减低碳排放做出了重要贡献。
DIPIPM™作为一种复合型功率半导体器件，其核心是芯片，一代芯片技术决定了一代功率半导体器件的主要性能，三菱电机DIPIPM™代与代的区分主要以IGBT的技术为基础进行迭代的，例如第4代超小型DIPIPM™采用的是第5代CSTBT™芯片（CSTBT™：载流子存储型IGBT），第6代超小型DIPIPM™采用的是第7代CSTBT™芯片,而SLIMDIP™采用的是第2代RC-IGBT芯片。图4是三菱电机主要芯片演变路线图。由图4可以看出，三菱电机DIPIPM™芯片主要经历了从第4代沟槽栅型IGBT芯片、第5代CSTBT™芯片、第6代CSTBT™、第7代CSTBT™芯片的升级，每一次升级，芯片的厚度会减薄，芯片的减薄意味着加工难度的增加和芯片尺寸的减小，同时也意味着经过若干年的发展，普通IGBT芯片的尺寸缩减难度越来越大，为了进一步缩减芯片尺寸，采用RC-IGBT成为DIPIPM™内置芯片的必然选择。SLIMDIP™采用的就是新的第2代RC-IGBT 芯片来减小尺寸。
图5是采用常规IGBT芯片和反并联二极管芯片的超小型DIPIPM™与采用RC-IGBT芯片的SLIMDIP™对比图。DIPIPM™由于经常被应用于驱动感性负载，其内部通常带有反并联二极管，采用了RC-IGBT之后，IGBT与反并联二级管芯片通过半导体工艺被加工到了1个芯片上，其总面积要小于IGBT芯片与反并联二级管芯片面积的和，对于含有6个IGBT的全桥逆变拓扑结构的DIPIPM™来说，SLIMDIP™采用RC-IGBT可以使其内部芯片减少6个，从而起到减小体积的作用。由于芯片数目的减少，所需的加工工艺也相应减少，这也提高了SLIMDIP™的加工效率。
SLIMDIP™管脚排列与超小型DIPIPM™管脚基本类似，功率侧管脚与控制侧管脚分别置于DIPIPM™两侧，由于SLIMDIP™的尺寸缩小，为了便于管脚焊接，SLIMDIP™控制侧采用了交错式排布，以加大控制侧管脚间距，避免焊接时产生连焊现象。同时与超小型相比，SLIMDIP™增加了三个上桥臂自举电源负端子VUFS､VVFS､VWFS，如下图6所示。这三个端子的增加使SLIMDIP™的PCB布线更简洁，无需像超小型DIPIPM™那样设计从模块U､V､W管脚到自举电容的三路走线，有利于降低线路板噪声，提高SLIMDIP™工作的稳定性。
SLIMDIP™电路功能与超小型DIPIPM™基本类似，二者的基本功能对比如上表2所示，二者都具有完善的保护功能，如短路保护功能(SC) ､电源欠压保护（UV）､故障信号输出功能（Fo）等，二者不同的是温度保护的方式，三菱电机DIPIPM™从第4代产品开始内置了温度保护功能，温度保护功能设计的初衷是用于保护诸如由于散热器安装不良､环境温度升高等因素导致的缓慢温度上升，而对于负载短路､马达堵转､负载过载等导致的快速温度升高，温度保护无法起到有效的作用，原因是用于温度检测的传感器置于驱动LVIC上，温度传感器的热传递需要时间，无法在毫秒､微秒内响应芯片的温度变化。三菱电机DIPIPM™温度保护功能有两种保护形式：直接温度保护（OT）功能和温度输出（VOT）功能，对于之前的DIPIPM™来说，这两种温度保护形式只具备其中的一种（可选），而对于SLIMDIP™，这两种功能同时具备，这样的设计，不仅减少了产品型号，同时给设计带来了极大的便利。
实际应用中对于DIPIPM™这些保护功能，存在几个容易被误读的点，如对于短路保护，DIPIPM™对于所有短路都能保护的观念是不正确的。由于DIPIPM™电流保护中检测的是下桥臂输出电流，因此对于桥臂直通或负载绕组短路等引起的短路电流，经过下桥臂，DIPIPM™可以起到有效保护，如果短路电流没有经过下桥臂，那么这样的短路DIPIPM™无法保护，如负载对大地短路或上桥臂IGBT对PCB的N线短路等；对于小脉冲短路，如果短路脉宽小于2μs 由于DIPIPM™短路检测端口Cin通常接有滤波时间常数为2μs的滤波器，因此宽度小于2μs的脉冲短路也无法保护。另一个容易被误解的点是电源欠压保护，并不是上下桥臂的15V欠压都可以输出故障信号Fo的，由于DIPIPM™通常采用自举方式为上桥臂IGBT提供15V电源，因此三个上桥臂的自举15V电源与下桥臂电源及LVIC是隔离的，所以上桥臂的欠压保护信号无法输出到下桥臂，也无法产生Fo信号来通知单片机。这些容易被忽视的要点适用于所有的三菱电机DIPIPM™也包括SLIMDIP™系列产品。
SLIMDIP™系列产品经过几年的发展，电流能力已经由5A扩展到了20A，30A的产品也处于开发当中，不久也将加入到SLIMDIP™大家庭中，细心的读者也许会发现表1中存在两个15A的模块，SLIMDIP-L与SLIMDIP-W两个产品，二者又有何不同？在应用时如何选择？DIPIPM™开发之初主要是为了满足空调的应用而设计的，其主要性能围绕着如何高效的驱动空调压缩机来进行工艺参数调整，对于变频空调压缩机的应用来说驱动PWM信号载频Fc通常比较低，常用的载频为5~7kHz, 这个载频下，变频空调压缩机可以良好运行，且以DIPIPM™为核心的逆变器损耗较低，DIPIPM™在设计制造过程中可以通过工艺参数对开关速度进行调整，使DIPIPM™在5~7kHz的载频区间内损耗最低，因此以变频空调为主要应用领域的DIPIPM™开关速度较低，适合低载频应用。随着变频应用的普及，越来越多的领域开始采用变频技术，如变频洗衣机､伺服驱动器､风机马达等。与变频空调压缩机低载频应用不同，变频洗衣机､风机马达等由于马达控制精度远高于变频空调压缩机，这种应用需要更高的载频如10~16kHz，如果将适合5~7kHz应用的DIPIPM™直接应用到洗衣机等需要更高载频的领域，DIPIPM™将由于开关速度较慢而导致开关损耗上升，使得DIPIPM™的输出电流能力受到限制，从SLIMDIP™系列开始，三菱电机DIPIPM™产品出现了专为高频应用设计的DIPIPM™，这些产品的开关速度更快，更适合高载频应用。包括5A/600V的SLIMDIP-S,15A/600V的SLIMDIP-W。为了更好地说明载频对于DIPIPM™功耗的影响，我们对同样是15A/600V的SLIMDIP-L和SLIMDIP-W进行了功耗仿真。
图7 SLIMDIP-W与SLIMDIP-L功耗仿真对比
图7是载波频率-单个RC-IGBT功耗仿真曲线，采用三菱电机功耗仿真软件Melcosim进行仿真，仿真条件：SVPWM､Vcc=300V､Io=10Arms､P.F.=0.8､M=1,横坐标是载波频率Fc，单位是kHz, 纵坐标是单个RC-IGBT损耗，单位是W，图7中，两个模块在7kHz下，损耗相等约10.7W，而在载频介于7~20 kHz时，SLIMDIP-W损耗低于SLIMDIP-L；载频介于0~7kHz时，SLIMDIP-L损耗低于SLIMDIP-W,由此得出结论，SLIMDIP-L更适合低载频应用，而SLIMDIP-W更适合于高载频应用，因此在类似于洗衣机､风扇电机等应用当中应当选用SLIMDIP-S或SLIMDIP-W；在诸如变频空调压缩机应用中，应选用适合低频应用的SLIMDIP-L或SLIMDIP-X。
对于DIPIPM™应用来说，电流能力是最重要的电气参数，电流能力的大小决定了驱动负载的能力，如何判定DIPIPM™电流能力大小？仅仅根据规格书标称的电流来判定是不合适的，依靠规格书标称的电流无法判定其在实际应用中的电流能力。对于SLIMDIP™系列产品来说也是一样的。DIPIPM™标称的电流额定值是内置IGBT的电流额定值，符号为Ic,如图8所示，对于应用来说最关心的是Io, Io被称作变频器输出相电流， Io会直接决定负载输出功率的大小。实际变频系统中，由于应用条件的不同，对于同一功率器件其Io值是不同的。制造商无法确定用户在何种条件下使用这个功率器件，如软件控制方式､载波频率､散热方式等关键信息。因此在产品规格书中Io参数通常作为推荐参数出现的，SLIMDIP™规格书就分别给出了载波频率FC=5kHz､15kHz情况下的Io推荐值。除了参考规格书内的推荐值，通过功耗仿真可以更详细的了解SLIMDIP™的电流输出能力，SLIMDIP™的壳温Tc和载波频率Fc是决定Io的主要应用条件。通过功耗仿真软件可以描绘出不同参数间的关系曲线，如Io VS Tj､Fc VS Tj､ Tc VS Io曲线等，通过这些曲线，可以直观地了解SLIMDIP™的主要性能。图9给出了一个SLIMDIP-L的Io VS Tj的仿真曲线来描绘该条件下的最大电流输出能力。仿真条件：调制方式为SVPWM､Fc=5kHz､Tj=125℃､Tc=100℃､Vcc=300V､P.F.=0.8､M=1 ，该应用条件下，允许的Io(max)为7Arms,小于7Arms的电流工作范围为电流安全工作区。
家电行业作为中国最有竞争力的产业之一，经过几十年的发展，目前也逐渐进入了成熟期，技术进步空间也越来越小，近几年，白色家电变频化是为数不多的技术亮点，一方面，为了保护环境，减低碳排放，在政策层面，国家鼓励节能环保的产品，包含空调能效标准升级等政策强制家电厂商生产高效节能的产品；另一方面变频技术成熟度越来越高，包括零部件供应商，都在通过产品创新满足变频家电的需求。SLIMDIP™就是三菱电机为了顺应家电变频化的需求而开发的，图10是SLIMDIP™应用领域推荐表，其中横坐标是模块输出功率，纵坐标为载波频率， 由图可以看出SLIMDIP-S/W适合高载频应用，如风扇驱动､空调内外风机､洗衣机等；SLIMDIP-L/X适合低载频应用，如变频空调压缩机驱动等；SLIMDIP-M适合10kHz左右的载频应用，因此既可以在1HP空调应用，也可以应用在变频洗衣机当中。
与三菱电机超小型产品相比，SLIMDIP™允许的最大壳温由100℃提高到了115℃，也就是说SLIMDIP™允许在更高的壳温下工作，不同的应用其散热方式不同，即使在家电领域，洗衣机和空调的应用当中，其功率模块采用了不同的散热方式，对于空调来说，可以认为其功率模块的散热方式为强制风冷散热，而洗衣机通常会采用自然对流方式来散热，与空调相比其散热效率更低，这将导致功率模块在更高的壳温Tc下运行，为了满足类似洗衣机等自然对流散热的应用，SLIMDIP™的壳温提升到了115℃。
在家电应用中，DIPIPM™的散热器也至关重要，特别是对于通过自然对流散热的应用如洗衣机、冰箱等，散热器的好坏会直接决定功率模块是否能安全工作。SLIMDIP™由于体积的减小，其可用散热面积也相应减小，因此更要重视散热器的设计。通常对于变频空调来说由于室外空调机风机可以带走散热器的热量，相对来说散热器的厚度对于散热能力影响较小，与此不同，对于洗衣机､冰箱等应用，则热量完全依靠散热器来传递到空气中。散热器的厚度对散热能力产生较大影响。图11给出了一个散热器厚度对壳温影响例子。
图中散热器采用铝散热器进行测试，厚度分别是2mm､5mm､10mm,在同样的负载条件下，由图11可以看出，与厚度为2mm散热器相比，厚度为10 mm的散热器，壳温Tc低约16℃，这样的测试数据表明，在自然对流散热情况下，适当的增加散热器厚度会有效降低SLIMDIP™壳温。相比较超小型产品，SLIMDIP™对于散热器的要求更高。
尽管SLIMDIP™系列产品存在载频的高低，这不意味着低载频的产品与高载频的产品在应用方面存在绝对界限。二者差异在于如果低载频的产品如SLIMDIP-L应用在高载频应用的洗衣机当中，可以正常工作，只是输出电流与低载频相比会相应降低。又比如SLIMDIP-W是高载频的产品，如果用在低载频的空调，也是可以正常使用，只是其损耗可能不是最低水平。因此在实际应用中，最好的方式是通过功耗仿真来筛选最适合模块。
三菱电机SLIMDIP™系列产品是适合家电应用的新一代DIPIPM™，它采用了RC-IGBT芯片，具有高可靠性､低成本､易于使用的优点。选型及应用原则与其它DIPIPM™产品有极大相似性，使用SLIMDIP™替代超小型产品在应用方面没有障碍。为了充分满足家电产品变频化带来的需求，SLIMDIP™系列扩展出了高载频的产品，特别适合于如变频空调风机､洗衣机､冰箱等中高频应用。在应用方面，体积的减小，使变频器体积更为紧凑，可以有效地降低成本。SLIMDIP™推向市场以来，已经被空调、洗衣机等变频家电广泛应用，得到了市场的认可，也必将为中国家电的持续发展做出重要贡献。
[1] 三菱电机，《SLIMDIP Series application note》
×
