改善洗衣機、電冰箱以及空調(diào)等家用電器能源使用效率的需求正在增加。從傳統(tǒng)的固定轉(zhuǎn)速馬達轉(zhuǎn)換到變速馬達可以節(jié)省能耗30%之多。但這種設(shè)計的難度較大，雖已經(jīng)出現(xiàn)了幾種方案來降低此類項目的數(shù)字設(shè)計工作難度，但是設(shè)計人員仍需要集成模塊和相關(guān)的設(shè)計工具來促進功率級的設(shè)計。
為了使低成本變速馬達控制器成為可能，元器件供應商設(shè)法通過簡化設(shè)計和降低結(jié)構(gòu)復雜度來減少變速控制器的成本。例如，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種數(shù)字信號控制平臺，它們結(jié)合了DSP和集成PWM和馬達控制外圍設(shè)備的RISC處理器。這些平臺可運行第三方或者自行開發(fā)的馬達控制算法。
同時，也存在其他的解決方案，可直接用硬件實現(xiàn)馬達控制算法，這樣能消除軟件開發(fā)和集成難題，也加速了算法的執(zhí)行速度，進而增強了對轉(zhuǎn)矩和速度的控制。
無論傾向于哪種方案，數(shù)字控制的難題現(xiàn)在都可以很快地解決掉。但是，還存在設(shè)計和集成功率級的障礙。設(shè)計一個合適的逆變器、門驅(qū)動電路以及相關(guān)的保護電路需要豐富的功率電子設(shè)計經(jīng)驗。
集成功率模塊
集成功率模塊（IPM）將前面提到的所有元件組合到一個單元中，減少了設(shè)計時間并帶來附加好處，包括元件數(shù)量的減少和可靠性的增加。
IPM吸收了許多工程成果，這些成果都與動作控制應用中采用的復雜功率系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)。例如，門阻抗針對較低的EMI噪聲和功率損失進行了預優(yōu)化，并集成了陰極負載二極管和電阻來驅(qū)動高壓側(cè)IGBT。
通過最小化寄生效應導致的損耗并最大化熱性能，內(nèi)置過電流保護和高溫保護，驅(qū)動布局的難題也得到了處理。工程師只需要為應用選擇合適的IPM即可。
不過，這些工作也是十分艱巨的。IPM在系統(tǒng)中的性能取決于許多與應用有關(guān)的參數(shù)，比如開關(guān)頻率、調(diào)變指數(shù)以及模塊外殼溫度。數(shù)據(jù)單提供了一些指導，但是通常是對標準工作情況而言。設(shè)計人員需要額外的幫助來預測其在特定應用中的性能。
為了選擇合適的IPM，工程師從應用的相關(guān)信息出發(fā)。例如，考慮一個均方根相電流為3A，開關(guān)頻率為16kHz下工作的洗衣機控制器，其總線電壓是直流320V。如果希望增強的可靠性成為最終產(chǎn)品的賣點，那么可以將指定的最大結(jié)溫度設(shè)定為遠低于模塊供應商所推薦的限制溫度，比如125℃。
額定電流，散熱電阻
IPM有許多的額定電流可選擇，且可能有多個選擇適用于這個應用。不過，因為每個模塊在給定的工作條件下有不同的功率損耗，用來保持結(jié)溫度不超過125℃所需的散熱電阻也會不同。計算所需的散熱電阻（Rth）需要運用與IPM熱學和電學特性有關(guān)的復雜知識，來確定傳導和開關(guān)損耗，并基于這些數(shù)據(jù)預測結(jié)溫度。
盡管對穩(wěn)態(tài)情況建模相對簡單，但實際的功率損耗卻并不是常量。在工作中，結(jié)溫度會波動到穩(wěn)態(tài)平均以外，因為功率損耗會以與逆變器調(diào)制頻率相等的基頻變化。
另一個重要的方面是相互加熱，因為IPM內(nèi)部的多個熱源共享從外殼到環(huán)境的通道。如果希望IPM的模型精確，這個效應必須考慮進去。
建模工具
IPM功率模塊的詳細模型在確認和選擇合適的模塊時有重要的作用。模塊供應商通常提供定制的工具，用來分析現(xiàn)有模塊的電氣和熱學模型。
這些工具可以用來生成一系列性能曲線，以描述IPM在用戶輸入情況下的行為。通常，這些工具允許用戶更改開關(guān)頻率、功率因數(shù)以及調(diào)變指數(shù)等參數(shù)來獲得指定應用條件下的性能曲線。
圖1 設(shè)計工具生成的功率損耗與相電流以及外殼溫度
這些工具通常允許用戶生成有用的信息來簡化IPM的選擇。進行功率損耗分析，用于生成功率損耗與開關(guān)頻率的曲線；進行元器件對比，用于生成功率損耗和外殼溫度的曲線以供選擇散熱電阻之用。
考慮前面的設(shè)計示例，建模工具可以用來計算所需的散熱電阻Rth。圖1顯示了某個常見工具的元器件對比分析結(jié)果，同時顯示了這個應用中逆變器的功率損耗以及最高的散熱溫度。
在均方根為3A時，6A模塊和10A模塊的功率損耗分別是31W和21W。6A和10A模塊的最大允許外殼溫度分別是84℃和99℃。所需的散熱電阻計算如下:
Rth(S-A) =(TC-TA)/P-Rth(C-S)
計算表明，較小的IPM需要較大的散熱電阻。最后的選擇將根據(jù)包括IPM和散熱在內(nèi)的整個系統(tǒng)的成本和尺寸。
同樣的方法可以用來為空調(diào)應用選擇IPM。通常，這需要結(jié)合400V的直流總線和PFC前端。開關(guān)頻率將低于洗衣機應用，以減少EMI噪聲。如果在6kHz開關(guān)頻率時需要均方根10A的電流，工具可以在16A和20A IPM之間權(quán)衡。
圖2 在各種不同開關(guān)頻率處最大輸出電流
圖3 功率損耗與開關(guān)頻率
這個工具也可以用來分析調(diào)變指數(shù)、開關(guān)頻率、散熱溫度以及功率因數(shù)對模塊的額定電流的影響。例如，這個工具可以用來研究IPM在不同開關(guān)頻率時的最大馬達電流和功率損耗，如圖2和圖3所示。在每種類型分析中，選擇3個部分會顯示在較大的開關(guān)頻率下，功率損耗會增加而最大電流會減少。
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