低電力駆動用21mm x 36mmのPFC + インバータIPM

概要

新しいIPMの内部回路は、インバータ ステージとPFCステージで構成されています。3相インバータ ステージには、6つの600V定格の TRENCHSTOP^TM IGBT と6つのエミッタ制御ダイオード、および統合ブートストラップ回路を提供する1つのSOIゲート ドライバIC、および温度監視用のサーミスタが搭載されています。PFCステージは、650V定格の TRENCHSTOP^TM IGBT と、高速かつソフトなスイッチング特性を持つRapid Switching Emitter Controlled Diodeで構成されています (図1)。

図1: 内部回路

コスト削減

新しいモーター ドライブを開発する場合、システム エンジニアにとって総コストを最小限に抑えることが最も重要な考慮事項です。IPM自体、ヒートシンク、PCBなどの材料コストだけでなく、市場投入までの開発時間も総コストの主な要因です。

小型トランスファーモールドパッケージ（パッケージサイズと構造）

高度な統合を実現した新しいIPMのパッケージ概要を図2に示します。新しいIPMは、21mm x 36mm x 3.1mmのコンパクトなサイズの Infineon Technologies CIPOS^TM (Control Integrated POwer System) Miniパッケージに組み込まれています。新しいIPMはUL認定 (UL 1557ファイルE314539) であり、RoHSに準拠しています。

図2: 外観図

高い熱性能を実現する基板には熱伝導性に優れた基板であるDCB（ダイレクト・カッパー・ボンド）を採用しています。図3は新しいIPMの断面図を示しています。このパッケージの熱伝達能力を最大限に活用するために、IGBTやダイオードなどの主要な熱源はすべてDCBに搭載されています。そのため、新しいIPMはパッケージサイズが非常にコンパクトであるにもかかわらず、最大3kWのモーター駆動に最適なソリューションとなります[1]。

図3: 断面図

ヒートシンクとPCBのサイズ

通常、すべてのパワー半導体コンポーネント（ブリッジ整流器、PFC用の個別IGBT、個別ブースト ダイオード、モーター ドライブ用のIPM）は、放熱のために1つのヒートシンクに取り付けられます。図4は、個別のパワー半導体とドライバを1つのパッケージに統合することで、PCBとヒートシンクのサイズをどれだけ縮小し、組み立てプロセスを簡素化できるかを示しています[2]。

(a) ディスクリートPFCとインバータIPMソリューション
（b）新しいIPMソリューション

図4: ヒートシンクへの取り付け構成

（ 4a.前面) 

（4b.裏面)  

システム開発プロセスでは、新しい回路設計、アートワーク、PCBアセンブリに多くの時間がかかります。プロセスにかかる時間を短縮し、新しいIPMがモーターを動作できるかどうかを迅速に判断するために、リファレンス ボードが開発されました。モーターを動作させるための最小限の周辺機器セットはボードに搭載されており、PWM信号、+5/+15V DC電源、PFCインダクタ、DCリンク電解コンデンサなどのその他の周辺機器は、リファレンス ボードへの配線接続を介してボードの外部から利用できます。

開発スピードアップ（参考ボード、図5、6）

図5: リファレンスボードの構造

図6: リファレンスボードの応用例

650V定格PFCステージ

インフィニオンテクノロジーズ は、PFC IGBTの特性に応じて2種類の製品を開発しました。これらは、表1に示すように、20kHzスイッチング周波数用のHigh Speed 3 (HS3) と、40kHzスイッチング周波数用のTRENCHSTOP^TM 5 (TS5) です。 Infineon のRapid Emitter制御ダイオードは、PFCトポロジのブースト ダイオードとしてTRENCHSTOP^TM IGBTとともに動作するように最適化されています。これは、伝導損失を低減するための低V_F と、IGBTのE_on を低減するための低Irrを組み合わせたものです[3]。すべての電源装置は650Vの定格電圧を持ち、不安定なACグリッドに対して高い信頼性と耐久性を提供します[4]。

表1: 製品ラインナップ、定格、目標スイッチング周波数

インバータステージの特徴

インバータステージには、インバータを安全に動作させるための多くの機能があります。これらの機能は、堅牢なSOIゲート ドライバーとサーミスタによって実現できます。

• VBS=15Vでの信号伝送の場合、許容される負のVS電位は最大-11V
• 統合されたブートストラップ機能
• 全チャンネルの低電圧ロックアウト
• 交差伝導防止
• 保護中は6つのスイッチすべてがオフになります
• 過電流シャットダウン
• 温度モニター

過電流保護

新しいIPMはITRIPピンの電圧を監視し、電圧がV_IT,TH+ (正方向しきい値電圧) を超えると、障害信号がアクティブになり、6つのIGBTすべてがオフになります。最大過電流トリップレベルは、通常、公称定格コレクタ電流の2倍以下に設定されます[5]。

図7: 過電流保護のタイムチャート

過熱保護

過熱保護のため、このIPMにはサーミスタが組み込まれています。抵抗は通常、25℃で85kΩ、100℃で5.4kΩです（図8）。° °

図8: サーミスタ抵抗と温度の関係

 図9に示すように、サーミスタはオープン ドレイン構成の障害出力端子と並列に接続されているため、VFOピンはADCとマイクロ コントローラの障害検出端子に直接接続されます。たとえば、プルアップ抵抗R1が3.6kΩの場合、約100℃でのVFO電圧は、図10に示すように、Vcrt=5Vで2.95Vtyp.、Vcrt=3.3Vで1.95Vになります。°

図9: 過熱保護回路

図10: VFO電圧と温度の関係

熱評価

図11は、入力電力2kWでの熱性能を評価するためのテストシステムの動作状態を示すテスト回路と測定波形です。動作条件は、PFCコントローラ=ICE2PCS05G、入力電力P_IN=2kW、AC入力電圧V_IN=220V/60Hz、DCリンク電圧V_DC=400V、インバータのスイッチング周波数=5kHz、PFCのスイッチング周波数=20kHz、R-L負荷 （R = 13.75Ω、L = 2.96mH、 力率=0.99）、MI=0.69、ゲート抵抗Rg=5.1Ω、周囲温度Ta=25°Cです。テスト対象デバイスはIFCM15S60GDです。入力力率は約0.995、THDは約9.78%です。

（試験回路波形a）

（試験回路波形b）

図11: 新しいIPMのテスト回路と波形

PFC IGBTの位置下のケース温度は最高点で約67.5℃となり、インバータ部よりも高くなります。°IFCM15S60GDは2kW以上の電力を処理するのに十分です。

（a. 温度測定ポイント）

（b. 温度グラフ）

図12：新型IPM（IFCM15S60GD）の温度測定点と試験結果

まとめ

新しいインテリジェント パワー モジュールは、ルーム エアコンなどの可変速モーター ドライブ用のインバーターとPFCトポロジーを備えた最適なソリューションです。Infineon Technologies は必要なすべてのテクノロジーを所有しており、システムサイズ、総コスト、市場投入までの時間を最小限に抑えたコンパクトで効率的なソリューションをお客様が実現できるようサポートすることに尽力しています。

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