家用電器專(zhuān)用智能功率模塊應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的研究

徐鴻 陳麗芬 趙鵬

中國(guó)家用電器研究院 北京 100037

1 引言

變頻控制器是變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電磁爐等的核心控制部件，它承擔(dān)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、PFC功率校正以及相關(guān)執(zhí)行器件的變頻控制功能。變頻控制器主要由電源、微控制單元（MCU）、智能功率器件（IPM模塊、IGBT模塊）及輔助電路構(gòu)成，隨著變頻控制理論在近幾十年的發(fā)展成熟，加之算法的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)變頻控制器用MCU的性能要求越來(lái)越高，對(duì)IPM模塊的工作效率也提出了更高要求。

家電產(chǎn)品用變頻控制器受批量、家電產(chǎn)品價(jià)格的影響，屬于量大價(jià)低的產(chǎn)品，國(guó)外半導(dǎo)體公司無(wú)論在MCU還是IPM上均占有絕對(duì)壟斷地位。但由于供應(yīng)量不穩(wěn)定，家電企業(yè)經(jīng)常受到芯片、模塊延期供應(yīng)甚至斷貨的威脅，在一定程度上影響了變頻家電產(chǎn)品的生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)經(jīng)過(guò)國(guó)家多年的支持與大力發(fā)展也形成了一定的規(guī)模生產(chǎn)能力，但成品并未大批量在產(chǎn)品上使用，主要是第三方公共檢測(cè)平臺(tái)在該領(lǐng)域檢測(cè)能力的缺失，導(dǎo)致變頻控制器產(chǎn)品缺乏質(zhì)量約束，家電企業(yè)對(duì)國(guó)產(chǎn)器件存在不信任的情況。國(guó)產(chǎn)器件在沒(méi)有得到大量、長(zhǎng)期驗(yàn)證之前，很難被家電企業(yè)認(rèn)可和使用，這已經(jīng)成為制約我國(guó)家用電器中變頻控制器國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵問(wèn)題。因此本文提出一套家用電器專(zhuān)用智能功率模塊的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，對(duì)其在能力、性能、可靠性等方面進(jìn)行檢測(cè)，推動(dòng)家電產(chǎn)品變頻控制器的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)的良性發(fā)展。

2 變頻控制器工作原理

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）因其優(yōu)越的性能，良好的可靠性，已廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]，在家電領(lǐng)域，因其在節(jié)能環(huán)保、低噪智能、高舒適性等方面的優(yōu)良表現(xiàn)，促進(jìn)了電機(jī)型家用電器采用直流無(wú)刷電機(jī)的需求，本文也以直流無(wú)刷電機(jī)的控制為例，簡(jiǎn)要介紹變頻控制器的工作原理，如圖1所示。

電機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，定子繞組多做成三相對(duì)稱(chēng)的星形接法，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的前提條件是獲取到轉(zhuǎn)子的位置信息[2]。電機(jī)轉(zhuǎn)子極性的檢測(cè)可以有兩種方法，一種是在內(nèi)部安裝傳感器，例如低精度的霍爾傳感器、高精度的光柵編碼器以及高可靠性的旋轉(zhuǎn)變壓器；另一種是在無(wú)位置傳感器的情況下利用反電動(dòng)勢(shì)估測(cè)法或者集成在微控制中的無(wú)傳感器位置檢測(cè)算法得到轉(zhuǎn)子的位置信息。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)確定定子繞組換相的時(shí)刻，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及方向。

圖1中功率模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：接收電機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)并控制電機(jī)的這三種動(dòng)作；接收位置及方向信號(hào)，通過(guò)控制功率模塊中開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接收速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等。

控制器按照芯片的集成程度不同，其能夠?qū)崿F(xiàn)的功能以及適用的場(chǎng)合也存在一定的差異：

（1）單芯片的解決方案，即MCU、門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊、功率控制模塊以及反饋電路模塊都集成到一塊芯片中，這種方式無(wú)論是從硬件設(shè)計(jì)還是在軟件算法上，都極大地降低了電機(jī)控制的復(fù)雜度，適用于風(fēng)扇、水泵等小功率器件。

（2）門(mén)極驅(qū)動(dòng)與功率控制模塊集成，搭配不同的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，其中門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路可以設(shè)置不同的參數(shù)，且由于功率控制模塊被集成在芯片內(nèi)部，在電路設(shè)計(jì)的繁瑣度被大大簡(jiǎn)化的同時(shí)又保留了軟件設(shè)計(jì)的靈活性，通常的輸出功率在100W左右，可以應(yīng)用在無(wú)人機(jī)、汽車(chē)重力轉(zhuǎn)向等領(lǐng)域。

（3）MCU與門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成，功率模塊外置，這樣的設(shè)計(jì)可以構(gòu)建不同功率等級(jí)的系統(tǒng)，配置靈活，減小了系統(tǒng)的體積，可以應(yīng)用在高速吸塵器、電動(dòng)工具等產(chǎn)品中。

智能功率模塊（IPM）是變頻控制器的功率模塊使用率較高的一種開(kāi)關(guān)器件，是由優(yōu)選的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及高速、低功率的開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成[3]，功能框圖如圖2所示。

從IPM的內(nèi)部功能機(jī)制可以看出，它不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)輸出至控制器作處理。

圖1 電機(jī)控制原理框圖

圖2 IPM功能框圖

表1 電性能測(cè)試列表

表2 絕緣強(qiáng)度測(cè)試列表

在IPM市場(chǎng)迅猛發(fā)展的同時(shí)，其在家電行業(yè)相應(yīng)的準(zhǔn)入制度卻存在嚴(yán)重脫節(jié)，至今沒(méi)有一套完善的技術(shù)體系來(lái)指導(dǎo)和規(guī)范產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試、安裝、使用等環(huán)節(jié)。市場(chǎng)上相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，在產(chǎn)品性能指標(biāo)、安全指標(biāo)、生產(chǎn)要求、安裝方法等方面都存在較大差別，使得這些模塊不能相互通用，增大了家電整機(jī)的生產(chǎn)、維修成本。這無(wú)論是對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)品本身的發(fā)展，還是對(duì)整個(gè)家電行業(yè)的進(jìn)步，都是非常不利的。

3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法研究

結(jié)合變頻控制器在家電中的應(yīng)用，從性能、可靠性、能力等方面對(duì)IPM提出要求，具體內(nèi)容如下所示。

（1）外觀質(zhì)量

標(biāo)志應(yīng)完整、準(zhǔn)確、清晰、耐久；表面無(wú)機(jī)械損傷；引腳無(wú)氧化、無(wú)銹跡、無(wú)污物、無(wú)變形、無(wú)折斷。塑封表面的器件型號(hào)、生產(chǎn)批次、廠商（產(chǎn)地）等標(biāo)識(shí)的印刷應(yīng)自然且塑封，表面不得有磨痕。

（2）外形尺寸

產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)需注明IPM安裝孔、引腳、幾何尺寸和封裝尺寸、散熱面平整度，IPM模塊實(shí)物應(yīng)符合說(shuō)明書(shū)的規(guī)定值。

（3）電性能

電性能測(cè)試項(xiàng)目及要求如表1所示。

表3 靜電放電測(cè)試列表

表4 電磁兼容測(cè)試列表

表5 焊接空洞率要求表

（4）絕緣強(qiáng)度

絕緣強(qiáng)度測(cè)試項(xiàng)目及要求如表2所示。

（5）靜電放電

靜電放電測(cè)試項(xiàng)目、參數(shù)及方法如表3所示。

（6）電磁兼容

電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目及方法如表4所示。

（7）焊接分層檢測(cè)

①引腳可焊性

將引腳浸過(guò)助焊劑后，沿軸線(xiàn)方向浸入240～245℃、Sn96.5-Ag3-Cu0.5的熔融焊錫槽中2～3s，樣品本體距熔融焊料1.6mm，取出后用3～10倍放大鏡觀察，要求浸入部分應(yīng)上錫明亮光滑，只允許有少量分散的如針孔不潤(rùn)濕或半潤(rùn)濕之類(lèi)的缺陷，且這些缺陷不出現(xiàn)在同一位置。

②引腳耐焊接熱

將試樣引腳浸過(guò)助焊劑后，沿軸線(xiàn)方向浸入（260±5）℃的Sn96.5-Ag3-Cu0.5熔融焊錫槽中（10±0.5）s，本體距熔融焊料1.8mm。被測(cè)器件試驗(yàn)后恢復(fù)1h，外觀應(yīng)無(wú)損傷，電性能測(cè)試應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)要求。

（8）封裝缺陷檢測(cè)

①空洞率

用X-Ray檢測(cè)IPM模塊貼片元器件、IC、引腳、IGBT、FRD的焊接空洞率。

觀察不同位置焊接狀況，試驗(yàn)樣品的散熱片、貼片元器件、驅(qū)動(dòng)IC（集成電路）、引腳、IGBT、FRD（快恢復(fù)二極管）的焊接空洞率要求如表5所示，必要時(shí)用軟件計(jì)算。

②封裝分層

用超聲波掃描檢測(cè)IPM成品的分層情況，分別在每一個(gè)模具位置抽1個(gè)模塊進(jìn)行聲掃。應(yīng)符合下述要求：

a)聚焦在IGBT/FRD芯片表面，芯片表面不能有分層現(xiàn)象，芯片位置不能有空洞。

b)聚焦在散熱片表面，散熱片表面不能有分層現(xiàn)象。

c)聚焦在驅(qū)動(dòng)IC表面，驅(qū)動(dòng)IC表面不能有分層現(xiàn)象，芯片位置不能有空洞。

d)聚焦在內(nèi)引腳表面，內(nèi)引腳表面不能有分層現(xiàn)象。

e)聚焦在鋁基板功能面，鋁基板功能面不能有分層現(xiàn)象，鍵合線(xiàn)位置不能有空洞。

f)聚焦在鋁基板背面表面，分層面積不大于2.5%/孔。

g)其他位置的空洞面積不大于2.5%。

（9）環(huán)境耐久性試驗(yàn)

環(huán)境耐久性測(cè)試項(xiàng)目、參數(shù)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

（10）機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)

機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試項(xiàng)目及要求如表7所示。

（11）限用物質(zhì)

按照IEC 62321系列標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法測(cè)試產(chǎn)品中的鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴聯(lián)苯、多溴二苯醚、鄰苯二甲酸（2-乙基己基）酯、鄰苯二甲酸甲苯基丁酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯十種限用物質(zhì)含量。

4 結(jié)論

綜上所述，本文提出了一套針對(duì)家電變頻控制器專(zhuān)用智能功率模塊的統(tǒng)一的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，從基本結(jié)構(gòu)、性能要求、質(zhì)量評(píng)價(jià)方法、安全要求等方面提出了具體要求，確定了其在家電行業(yè)應(yīng)用的準(zhǔn)入門(mén)檻，為半導(dǎo)體企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，填補(bǔ)了行業(yè)空白，為家電企業(yè)提供相關(guān)產(chǎn)品的統(tǒng)一的衡量尺度，降低整機(jī)企業(yè)的開(kāi)發(fā)成本，將有效推動(dòng)以智能模塊功率為代表的新一代半導(dǎo)體器件在家電行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，提升我國(guó)家電產(chǎn)品的技術(shù)水平，促進(jìn)我國(guó)家用電器行業(yè)的整體發(fā)展。

表6 環(huán)境耐久性測(cè)試列表

表7 機(jī)械強(qiáng)度測(cè)試列表