インテリジェント パワー モジュール (IPM) は、モジュール性、複合性、パワー集積回路 (PIC) といったパワー デバイスの現在の開発動向に適合した高度なパワー スイッチ デバイスであり、パワー エレクトロニクスの分野でますます広く使用されるようになっています。本稿では、IPMの特徴と、ON Semiconductorが発売したIPM製品について説明します。
高度に統合されたIPMはインバータの優れたパートナーです
IPMでは通常、高速で低電力の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT) を電源スイッチコンポーネントとして使用し、電流センサー、保護回路、ゲート駆動回路を統合します。IPMは、高い信頼性と使いやすさにより、ますます大きな市場を獲得しており、特に駆動モーターの周波数変換器や各種インバータに適しており、周波数変換および速度調整、冶金機械、電気牽引、サーボドライブ、インバータ機器に最適なパワーエレクトロニクスデバイスです。
IPMは、電源スイッチデバイスと駆動回路を統合し、過電圧、過電流、過熱に対するロジック、制御、障害検出回路も統合し、検出信号をCPUに送信できます。高速かつ低消費電力のダイ、最適化されたゲート駆動回路、高速保護回路で構成されており、使いやすく、システムサイズと開発時間を短縮するだけでなく、システムの信頼性を大幅に向上させます。万が一、負荷事故や不適切な使用が発生しても、IPM自体は損傷しません。
IPMでは、IGBTは巨大トランジスタ (GTR) と金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) の複合体であり、GTRはMOSFETによって駆動されます。したがって、IGBTにはGTRとMOSFETの両方の利点があります。GTRには、高電流密度、低飽和電圧、高電圧抵抗という利点があり、MOSFETには、高入力インピーダンス、高スイッチング周波数、低駆動電力という利点があります。
従来のIGBTモジュールと駆動回路のコンポーネントと比較して、IPMには最適なIGBT駆動条件を設定する駆動回路が含まれています。駆動モーターとIGBT間の距離が非常に短く、出力インピーダンスが非常に低いため、逆バイアスは必要ありません。IPMには、システムの安定した動作を確保するための過電流 (OC) 保護や低電圧 (UV) 保護などの機能が含まれています。
ON Semiconductorはパワー半導体分野のリーダーであり、数多くのIPM製品をリリースしています。ここでは、産業機器向けの主要製品の一部を紹介します。
SPM31シリーズに含まれるNFAM1012L5B（1200 V、10 A）およびNFAM2012L5B（1200 V、20 A）は、完全に統合されたインバータ電源モジュールです。これらは、独立したハイエンド ゲート ドライバ、低電圧集積回路 (LVIC)、6つのIGBT、および温度センサー (TSU by LVIC) で構成されており、永久磁石同期モーター (PMSM)、ブラシレス直流 (BLDC) モーター、および交流非同期モーターの駆動に適しています。IGBTは3相ブリッジで構成され、下側のレッグに個別のエミッタ接続を提供し、制御アルゴリズムの選択において最大限の柔軟性を提供します。パワーステージには低電圧ロックアウト保護 (UVP) があり、ハイサイドゲートブースト駆動には内部ブーストダイオードが使用されます。
SPM31シリーズ
NFAM1012L5B/NFAM2012L5Bは、アクティブ ロジック インターフェイス、内蔵UVP、統合ブートストラップ ダイオードと抵抗、各相の個別の電流検出用の独立したローサイドIGBTエミッタ接続、温度センサー (LVICによるTSU出力) を備え、UL認証に準拠した鉛フリー デバイスです。
さらに、SPM31シリーズには、NFAM2065L4B（650 V、20 A）、NFAM3065L4B（650 V、30 A）、NFAM5065L4B（650 V、50 A）など、さまざまな電力をサポートし、同様の特性を持つデバイスも多数含まれており、お客様が必要とするさまざまな仕様に応じて選択できます。
SPM49シリーズに含まれるNFAL5065L4B (650 V、50 A) およびNFAL7565L4B (650 V、75 A) インテリジェント電源モジュールは、AC誘導、BLDC、およびPMSMモーター用のフル機能の高性能インバータ出力ステージを提供できます。これらのモジュールは、最適化されたゲート ドライバーと内蔵IGBTを統合してEMIと損失を最小限に抑え、低電圧ロックアウト、過電流シャットダウン、温度検知、障害報告などの複数のオンモジュール保護機能も提供します。内蔵の高速高電圧集積回路 (HVIC) では、入力ロジック レベル ゲート入力を高電圧および高電流の駆動信号に変換し、モジュールの内部IGBTを適切に駆動するための電源電圧のみが必要です。各相には独立した負のIGBT端子があり、最も幅広い制御アルゴリズムをサポートします。
SPM49シリーズ
SPM31/SPM49シリーズには ゲート駆動および保護用の制御集積回路で、低損失および短絡定格のIGBTを備え、熱抵抗が極めて低いAl2O3 DBC (直接接合銅) 基板を使用し、3相電流検出用にローサイドIGBTとは別にブートストラップ ダイオード/抵抗器とオープン エミッタ ピンを内蔵し、統合センシングIGBTを介して調整可能な過電流保護を提供します。絶縁定格は2500 Vrms/1分で、UL認定およびRoHS準拠です。
DIP-S6シリーズに含まれるNFAQ0860L36T（600 V、8 A）およびNFAQ1060L36T（600 V、10 A）は、高電圧ドライバ、6つのIGBT、およびサーミスタで構成される完全に統合されたインバータ電力ステージであり、PMSM、BLDCモータ、および交流非同期モータの駆動に適しています。IGBTは3相ブリッジで構成され、各ブリッジの下側レッグには個別のエミッタ接続が備わっており、制御アルゴリズムの選択において最大限の柔軟性が提供されます。パワーステージには、クロス伝導保護、外部シャットダウン、低電圧ロックアウトなど、幅広い保護機能が備わっています。過電流保護回路に接続された内部コンパレータと基準電圧源により、設計者は過電流保護のレベルを設定できます。
NFAQ0860L36T/NFAQ1060L36Tはドライバを内蔵し、DBC基板を使用しています。NFAQ0860L36Tの8Aでの標準値はVCE(sat) = 2.4V、VF = 2.1V、ESW = 280 µJで、NFAQ1060L36Tの10Aでの標準値はVCE(sat) = 1.9V、VF = 2.4V、ESW = 400 µJです。どちらもコンパクトな29.6mm x 18.2mmデュアル インライン パッケージで、過電流保護レベルを調整でき、ブートストラップ ダイオードと抵抗器、基板温度測定用のサーミスタが統合されており、内部に低電圧保護、クロス伝導保護、シャットダウン ピンが搭載されています。すべてのIGBTはITRIP入力を通じてオフにすることができます。モジュールの底部からピン端までのリードはわずか3.4mmで、UL1557認証に準拠しています。
NFAQ0860L36T/NFAQ1060L36Tで使用されているDBC基板は、放熱性に優れています (熱抵抗が低い)。NFAQ1060L36Tは最新のテクノロジーを使用して損失を最適化し、優れたEMIを備えています。コンパクトなパッケージにより、PCBサイズが縮小されます。過電流保護レベルを調整可能で、複数の機能を統合しています。コンパクトな設計と最適化されたコストが特徴です。内蔵のNTCサーミスタにより、モジュールの温度をより正確に測定できます。振動によるストレスを軽減するために、モジュールはPCBとより緊密に組み立てられています。
ON Semiconductorは、さまざまなアプリケーションのさまざまなニーズを満たすために、さまざまな仕様のIPM製品も提供しています。IPM製品の用途には、産業用ファン、洗濯機、エアコン、ポンプなどがあります。
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