1   低碳時(shí)代驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換的變革

當(dāng)前，世界各國(guó)以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國(guó)也提出了碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，這對(duì)電子產(chǎn)品的降低能耗提出了巨大挑戰(zhàn)。因?yàn)殡S著物聯(lián)網(wǎng)的普及，產(chǎn)品需要有更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間；由于產(chǎn)品的性能提高和功能豐富，也會(huì)增加工作能耗。這就需要功率轉(zhuǎn)換元器件和模塊的效率進(jìn)一步提升，因此，近年來(lái)IPM（智能功率器件）開(kāi)始盛行。

2   適合小功率電機(jī)的IPM 

IPM的優(yōu)勢(shì)是高效率、低功耗、模塊化。以空調(diào)市場(chǎng)為例，全球空調(diào)市場(chǎng)的出貨量這兩年約1.5億臺(tái)，數(shù)量可觀。該市場(chǎng)的技術(shù)也在不斷更新。

1）效率提高。①各國(guó)對(duì)空調(diào)的能耗限制也越來(lái)越嚴(yán)苛。例如2020年7月1日，我國(guó)實(shí)施了新的能效標(biāo)準(zhǔn)，要求空調(diào)的產(chǎn)品效率達(dá)80%以上。為了滿足這一要求，變頻成為大勢(shì)所趨，占有八九成的市場(chǎng)，定頻空調(diào)已基本被淘汰。②待機(jī)功耗方面，新要求是制冷能力在4.5kW以下的機(jī)型，待機(jī)功耗從3W將為1W以下。

2）滿足新機(jī)型的快速設(shè)計(jì)。對(duì)于制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，如何提高開(kāi)發(fā)速度，生產(chǎn)更快更好的產(chǎn)品是面臨的主要挑戰(zhàn)。這就需要設(shè)計(jì)平臺(tái)能夠盡量標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。

具體地，空調(diào)的開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，國(guó)外一般是2年或以上的周期，國(guó)內(nèi)的開(kāi)發(fā)周期更短，基本上6個(gè)月或以內(nèi)必須要有產(chǎn)品上市，如果再用原來(lái)的分立器件，連測(cè)試的周期都不能保證。

對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)，用分立器件還會(huì)有匹配問(wèn)題，因?yàn)榉至⑵骷粌H牽扯到產(chǎn)品本身的功耗、效率、選型等，如此多的器件要求保證穩(wěn)定，對(duì)于生產(chǎn)保障是要求比較高的。因?yàn)榧幢闶峭瑯右?guī)格的產(chǎn)品，不同廠家、性能的產(chǎn)品會(huì)有一些差異，工程師在切換的時(shí)候會(huì)遇到一些技術(shù)問(wèn)題，包括驅(qū)動(dòng)、噪聲等。而且在不同的PCB板上用同樣產(chǎn)品的時(shí)候，也會(huì)發(fā)現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題。

而IPM避免了上述問(wèn)題，因?yàn)樗械墓β势骷贗PM內(nèi)部已經(jīng)匹配、固化好，因此非常利于設(shè)計(jì)和操作。

所以現(xiàn)在不僅是空調(diào)行業(yè)，包括通用的工業(yè)伺服領(lǐng)域，7kW以內(nèi)的產(chǎn)品已在大批量采用IPM。

3）價(jià)格有競(jìng)爭(zhēng)力。IPM價(jià)格并不是太大的障礙了，因?yàn)閷?duì)于制造，無(wú)論是貼裝、測(cè)試等，時(shí)間成本和人力成本都是很高的。IPM可以降低這方面的成本。

4）節(jié)省面積空間。IPM不同于普通的功率模塊(PM)。功率模塊是把需要用到的一些功率器件集合在一個(gè)封裝里。設(shè)計(jì)時(shí)還需要外圍匹配合適的驅(qū)動(dòng)等電路來(lái)驅(qū)動(dòng)功率模塊。

IPM不僅把功率器件集成進(jìn)去了，還把驅(qū)動(dòng)電路以及周邊的保護(hù)電路集成到模塊里。IPM的應(yīng)用更加簡(jiǎn)單，就像控制邏輯器件一樣來(lái)控制功率模塊。

以空調(diào)電機(jī)的壓縮機(jī)控制板為例。下圖左邊藍(lán)色邊框內(nèi)的部分是以往的功率驅(qū)動(dòng)板，它把功率器件、驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)保護(hù)電路分布在板子上，實(shí)現(xiàn)了功率轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在，這些眾多的器件在新的板子上都被1個(gè)IPM代替，面積只有原來(lái)的1/3。所以從節(jié)省空間和易于設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，IPM有很大的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)然，IPM不會(huì)完全取代分立器件。在偶爾的一些性能指標(biāo)上，由于分立器件可以更靈活地對(duì)外圍器件做調(diào)整，所以占有一定的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)，隨著IPM性能越來(lái)越可靠，應(yīng)用越來(lái)越適用，而且現(xiàn)在對(duì)調(diào)節(jié)電路的要求也越來(lái)越弱化了，因此在設(shè)計(jì)上很少會(huì)牽扯到這方面的要求。

另外，IPM目前面向小功率的家電設(shè)備和工控設(shè)備的，例如10kW或15kW以下的產(chǎn)品，用IPM的可能性更大；更大功率的產(chǎn)品目前還是以“驅(qū)動(dòng)+PM(功率模塊)”為主。

3 ROHM兼具出色降噪和低損耗的600V耐壓IGBT IPM 

IPM有何新品？近日，全球知名半導(dǎo)體制造商ROHM開(kāi)發(fā)出兼具出色的降噪和低損耗特性的600V耐壓IGBT IPM“BM6437x系列”，有助于進(jìn)一步減少白色家電和小型工業(yè)設(shè)備的功耗和設(shè)計(jì)工時(shí)。

ROHM半導(dǎo)體（上海）有限公司技術(shù)中心高級(jí)經(jīng)理顧偉俊稱，，新產(chǎn)品有三大特點(diǎn)。

●   同時(shí)能夠降低噪聲和功耗。這兩個(gè)指標(biāo)有一定的沖突，所以能夠同時(shí)滿足這兩點(diǎn)絕非易事。

●   新產(chǎn)品在輸出溫度、監(jiān)控精度上做了很大的提高，滿足了現(xiàn)階段家電和普通小功率工控設(shè)備的基本要求。

●   為了滿足客戶對(duì)生產(chǎn)、制造、品質(zhì)的保障，新增了產(chǎn)品識(shí)別功能，可以在線測(cè)試該型號(hào)的IPM，防止其他器件的導(dǎo)入產(chǎn)生誤裝。

詳解如下。

1）噪聲和節(jié)能方面，ROHM新一代的IPM在功耗方面可以與市場(chǎng)中領(lǐng)先的產(chǎn)品達(dá)到基本同樣的水平。但是在這個(gè)基礎(chǔ)上，新IPM比普通產(chǎn)品可以降低6dB以上的噪聲（下圖左）。這對(duì)于工程師是一個(gè)難得的好消息，因?yàn)橐{(diào)整到如此低的噪聲，工作量是很大的。

據(jù)悉，降噪不僅是通過(guò)工藝的改善，最主要的是實(shí)現(xiàn)各功率器件的合理匹配。因?yàn)镋MI降噪與IGBT的開(kāi)關(guān)速度有直接的關(guān)系：速度越快，噪聲越大；但為了減少損耗，要求開(kāi)關(guān)速度盡可能地快。因此需要平衡各功率器件之間的噪聲等級(jí)，包括IGBT管，快恢復(fù)二極管（FRD），其他HVIC（驅(qū)動(dòng)電路）里的邏輯電路等。

2）高精度溫度控制方面，普通的IPM時(shí)本身會(huì)有一個(gè)溫度輸出，但是溫度輸出并不是IPM以前比較側(cè)重的地方，所以精度相對(duì)較差，約在5%。

不過(guò)，有時(shí)IPM功率器件的溫度誤差決定了整個(gè)系統(tǒng)是否安全可靠。因此，IPM的溫度輸出的誤差越大，必須考量的設(shè)計(jì)冗余就越大，對(duì)于IPM的使用限制就會(huì)越多。因此，有些客戶會(huì)采用外置的熱敏電阻來(lái)增加可靠的溫度檢測(cè)，這將額外地增加成本。

ROHM新一代IPM將溫度輸出的精度設(shè)計(jì)到與添加外置熱敏電阻后基本相同的2%精度，所以在同樣的應(yīng)用中完全可以省略掉外置熱敏電阻等外圍電路，節(jié)約成本，也能加快開(kāi)發(fā)速度。

IPM里的溫度檢測(cè)是在靠近主功率器件的HVIC上。以前由于HVIC的功率比較簡(jiǎn)單，所以溫度輸出的精度不高，ROHM在新IPM產(chǎn)品里更新了HVIC的工藝。

3）增加了產(chǎn)品識(shí)別功能。普通的IPM由于背面有一個(gè)很大的散熱片，要考慮到散熱的問(wèn)題，因此產(chǎn)品標(biāo)簽往往印在了模塑表面。當(dāng)普通IPM插在PCB板上后，將看不到標(biāo)簽，所以無(wú)法通過(guò)光學(xué)的手段辨別所采用的型號(hào)是否正確（如下圖）。

為了便于在線測(cè)試時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤操作或混入其他料號(hào)，ROHM新一代IPM增加了產(chǎn)品識(shí)別功能，通過(guò)阻抗測(cè)量?jī)x就能區(qū)分不同的型號(hào)以及是否是其他廠商產(chǎn)品混入的狀態(tài)，保障了生產(chǎn)的可靠性。

4   ROHM的IPM發(fā)展規(guī)劃

未來(lái)ROHM將繼續(xù)擴(kuò)大IPM產(chǎn)品陣容。

1）在提高空調(diào)節(jié)能性能的IPM開(kāi)發(fā)方面，ROHM在積極推動(dòng)比IGBT的節(jié)能性能更出色的Si-MOS IPM的開(kāi)發(fā)。因?yàn)樽冾l空調(diào)在實(shí)際應(yīng)用中，約80%的時(shí)間是在低功耗、維持溫度的工作狀態(tài)，這相比于實(shí)際應(yīng)用的功率并不是很大。在小電流應(yīng)用的工作環(huán)境中，與IGBT相比，Si-MOS 有更高的效率。因此,ROHM針對(duì)于空調(diào)市場(chǎng)推出了使用自產(chǎn)Si-MOS——PrestoMOS?的高效率IPM產(chǎn)品，目前已經(jīng)有部分產(chǎn)品在官網(wǎng)公布。在使用該產(chǎn)品以后，普通的變頻空調(diào)在常年工作中，可以降低50%左右的功率損耗。

在Si-MOS IPM與IGBT IPM的關(guān)系方面，目前ROHM開(kāi)發(fā)的Si-MOS主要針對(duì)的是新一代的空調(diào)的市場(chǎng)，因?yàn)榭照{(diào)市場(chǎng)是比較特殊的：變頻空調(diào)的大部分時(shí)間是工作在低功耗狀態(tài)下，只有在開(kāi)機(jī)和一開(kāi)始的階段才會(huì)在高功耗的狀態(tài)里，因此Si-MOS管就足夠了，因?yàn)镸OS管在小電流的時(shí)候效率高。只有電流達(dá)到一定功率后，IGBT的性能優(yōu)勢(shì)才會(huì)體現(xiàn)出來(lái)。

因此總體上，IGBT產(chǎn)品目前還是市場(chǎng)的主流，因?yàn)槟壳癝i-MOS管的用量還沒(méi)有真正起來(lái)，所以成本并不占優(yōu)勢(shì)。但是小電流應(yīng)用的工作環(huán)境下，Si-MOS管的性能優(yōu)勢(shì)是比較明顯的。

IGBT和SiC的關(guān)系方面，短期內(nèi)IGBT仍是主流產(chǎn)品，尤其在家電和通用的消費(fèi)類產(chǎn)品里，主要由于IGBT具有成本優(yōu)勢(shì)。碳化硅的應(yīng)用還處于早期，有一些問(wèn)題還在探索中。

2）ROHM已經(jīng)投入到了車載級(jí)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。新能源汽車的空調(diào)系統(tǒng)完全是電控的，因此對(duì)IPM的需求是非常強(qiáng)烈的。但是現(xiàn)在很少有能滿足車規(guī)級(jí)的產(chǎn)品，因?yàn)椴粌H是產(chǎn)品本身的品質(zhì)要提高，還有認(rèn)證、生產(chǎn)、制造、設(shè)計(jì)等都要有所改變。

3）ROHM的產(chǎn)品迎合市場(chǎng)需求，除了效率、性能的提升，還在壽命和可靠性上做突破。