原标题：SLIMDIP系列智能功率模块在变频洗衣机应用介绍

　　本论文主要介绍了一种由三菱电机开发的智能功率模块SLIMDIP系列在变频洗衣机的设计及应用要点。由于采用了第2代高性能RC-IGBT芯片及优化的封装设计，SLIMDIP系列产品具有低损耗、高可靠性和小型化的优点。这些优点使得SLIMDIP系列产品非常适合诸如变频洗衣机等小功率变频应用。在变频洗衣机应用当中，智能功率模块的热设计和功率循环寿命设计非常重要，由于模块散热通常采用自然风冷设计，相比强制风冷散热来说更加困难；洗衣机运行时，其马达运行模式经常处于开-停-开的状态，功率模块面临频繁的热冲击。本文主要围绕SLIMDIP系列智能功率模块在洗衣机应用中怎样进行热设计、如何对模块功率循环寿命进行评估展开。文章的最后举例分析了SLIMDIP-S智能功率模块在一款变频洗衣机上的设计及评估要点。

　　1、简  介

　　SLIMDIP系列产品是由三菱电机开发的适合小功率应用的智能功率模块。由于采用了最新的第2代RC-IGBT芯片，SLIMDIP系列产品内部功率芯片只需要6个，同时其外形尺寸与上一代超小型封装的产品相比降低了约31%。在功能上，这种智能功率模块同时具有温度模拟量输出功能VOT 和过温保护功能OT。由于采用了RC-IGBT技术和优化的封装结构，SLIMDIP系列智能功率模块非常适合变频洗衣机的应用。

　　对于SLIMDIP智能功率模块在变频洗衣机应用来说，其变频驱动电路设计并不复杂，对于设计工程师来说最大的挑战是如何在兼顾成本的情况下设计出高可靠性的洗衣机变频控制器，而这与智能功率模块的热设计及功率循环寿命高度相关。

　　2、SLIMDIP主要特点

　　2.1

　　产品系列、外观及电路结构SLIMDIP 系列智能功率模块采用了适合大批量生产的压注模封装形式，把功率芯片、驱动保护电路、自举电路同时置于同一紧凑的封装下，这使AC100-240V等级小功率变频驱动变得非常简单。表1给出了SLIMDIP产品系列；图1、图2、图3分别给出了SLIMDIP外观尺寸、内部结构及电路框图。

表1  SLIMDIP产品系列

图1  SLIMDIP外观尺寸

图2  SLIMDIP内部结构

图3  SLIMDIP电路连接图

　　2.2

　　SLIMDIP最大额定参数表2以SLIMDIP-S (5A/600V) 为例给出了SLIMDIP系列智能功率模块的最大额定参数。通过表2可以看出SLIMDIP系列智能功率模块的芯片结温在任何运行工况下都不能大于150℃。通常这个参数被命名为模块最大结温,用符号Tj(max)来表示。SLIMDIP系列智能功率模块运行壳温用TC表示，其允许工作范围为-30~+115°C。

表2 SLIMDIP-S最大额定参数

　　3、模块温升及功率循环寿命设计要点

　　3.1

　　模块温升对于像IGBT、MOSFET、IPM、DIPIPM一类的功率器件来说，其热设计的好坏直接关系到整个变频装置的可靠性。对于SLIMDIP系列智能功率模块来说，其IGBT和反并联二极管集成在了同一芯片上，因此在对SLIMDIP产品散热系统进行设计时，需要同时考虑其IGBT损耗及反并联二极管损耗。 对于SLIMDIP系列智能功率模块的热设计，其出发点是需要保证即使在最恶劣的工况下模块的最大结温Tj也不超过150°C、模块的壳温TC不超过115°C。对散热系统进行功耗仿真，可以有效地对模块工作条件及散热系统的运行状态进行评估。图4是SLIMDIP-S的一个功耗仿真的事例；图5给出了模块在VCC=310V、软件调制方式SVPWM、IO=3.53Arms、fc=16kHz工作条件下其结温的波动曲线。

图4 模块功耗仿真例

图5  模块结温波动仿真例

　　3.2

　　功率循环寿命当SLIMDIP系列智能功率模块结温Tj发生变化时，在铝绑定线和芯片间、芯片和绝缘衬底间会因为不同材料的热膨胀系数不同而产生热应力。如果热应力不断重复施加在芯片上，会使芯片因为热应力产生的热疲劳而损坏。功率模块的功率循环寿命可以采用如下的公式进行描述： Nf1=C1×ΔTj–n1[ Nf1为预计功率循环寿命，C1,n1:为常数, 结温变化幅度ΔTj= ΔTj-c+ΔTc ]

　　图6给出了一个典型功率循环寿命模式下模块壳温TC和结温Tj温度运行状态示意图。具体到变频洗衣机的工作模式, 在洗涤工作当中，由于马达工作在开-关-开状态，相应的流过IGBT的电流也处于开关状态，这将导致智能功率模块结温始终处于高-低-高的温度冲击模式，而结温的变化幅度和变化次数将决定模块的功率循环寿命。图7 给出了SLIMDIP系列产品的功率循环寿命曲线。从曲线可以看出功率循环寿命与结温变化幅度ΔTj成反向关系。

图6 功率循环寿命模式下TC和Tj运行状态示意图

图7  SLIMDIP功率循环寿命曲线

　　4、Tc和Tj 的测量

　　功耗仿真可以很方便地估算SLIMDIP系列智能功率模块的最大结温Tj(max)，特别是对了解最大结温Tj(max)随应用条件如输出电流Io、载波频率fc、输出频率fo的变化趋势非常有帮助。在对智能功率模块选型时，功耗仿真必不可少，另一方面由于仿真结果是基于理想的工作条件，因此与实际应用存在一定偏差，而实际测量智能功率模块运行中的Tj(max)和TC可以对智能功率模块的实际工作状态进行监控，更准确地了解智能功率模块是否工作在安全的温度范围。对于SLIMDIP系列智能功率模块Tj(max)和TC的测量，通常可以采用如下方式进行。对于Tj(max)的测量需要在SLIMDIP产品的内部埋入热电偶，以便测试温度更接近实际IGBT工作的结温。图8给出了内置了热电偶的SLIMDIP产品图片及测量温度的手持式温度测试仪。对于壳温TC的测量，图9给出了TC的建议测量位置及热电偶的埋入方式。需要注意的是，由于软件控制方式的不同，建议的Tj(max)和TC的测量位置不一定是实际运行中温度最高的位置，在这种情况下，需要根据具体情况对埋入热电偶的位置进行更改，使实际测量的温度能准确反映SLIMDIP产品运行中的最高Tj(max)和TC。

图8 带热电偶的样品及温度测试仪

图9  TC测试点及热电偶埋入示意图

　　5、SLIMDIP-S在变频洗衣机应用案例

　　目前小功率智能功率模块在变频空调中的应用非常广泛，由于空调器功率较大，因而其对于变频节能的需求也较其它家用电器更为迫切。在变频空调的应用当中，变频器的输出电流通常是连续的，在环境温度维持不变的情况下，智能功率模块的结温Tj波动幅度不大，另外由于变频空调应用当中，智能功率模块的散热方式通常采用强制风冷散热，模块内部产生的热量很容易在空调风扇的帮助下通过散热器传递到空气当中。在变频洗衣机应用当中，变频控制器通常会安装到洗衣机内部的壳体上，基本处于封闭空间，也没有风扇来维持空气的对流，因此智能功率模块的散热基本依靠其自身的散热器通过自然风冷及热辐射的方式进行，散热效率相比强制风冷低很多，这也增加了散热系统设计难度。变频洗衣机在洗涤状态下，工作模式为开-关-开的状态，智能功率模块的结温Tj会随着电流的开关周期进行波动，这种波动会直接影响智能功率模块的功率循环寿命。为了减小结温波动对功率循环寿命的影响，设计一个散热性能良好的散热器对于变频洗衣机应用的智能功率模块更为重要。相比较变频空调的散热器设计，变频洗衣机智能功率模块的散热器通常会更厚一些。图10是一款采用了SLIMDIP-S智能功率模块的8kg变频洗衣机控制板照片，图11是变频洗衣机工作时模块输出电流波形。

图10 采用了SLIMDIP-S洗衣机控制板

图11 SLIMDIP-S输出电流波形

　　为了确认SLIMDIP-S在8kg变频洗衣机项目的功率循环寿命，对洗衣机变频控制器进行了加速功率循环寿命测试。图12给出了加速功率循环寿命测试曲线。测试结果表明SLIMDIP-S可以承受约11万周期的加强功率循环寿命测试。

图12   SLIMDIP-S加强功率循环寿命测试曲线