智能功率模块（IPM）是低功率电机驱动应用中设计师的首选方案，尤其适用于成本和尺寸限制较为严格的设计场景。一项针对该模块在不同工作条件下热性能的最新研究，帮助设计师准确预测工作温度、功耗以及所需的PCB设计，从而实现最佳的可靠性、成本和尺寸平衡。
使用智能功率模块进行设计
该模块直接连接电机和托管电机控制算法的处理器，并取代了根据配置可能高达30个或更多的离散组件。作为一种集成解决方案，智能功率模块不仅简化了设计，降低了材料成本，节省了PCB空间，还提高了可靠性并有助于减少电磁干扰(EMI)。
在大多数应用中，该模块旨在无需散热器即可运行。这进一步降低了材料成本并简化了组装。然而，需要仔细的热设计来确保模块在最大负载下能够维持适当的稳态温度，从而使系统满足最低可靠性目标。
英飞凌的µIPM™模块广泛应用于无散热器的逆变器中，用于HVAC设备、风扇、泵、压缩机和高达150W-250W功率等级的变速驱动。这些模块采用12mm x 12mm或8mm x 9mm的PQFN封装，设计用于通过大型电气接触焊接在PCB上散热，如下图英飞凌的封装。
PCB上铜走线的尺寸与厚度对模块向环境散发热量的能力有重要影响，进而决定其稳态工作温度。若这些走线设计规格不足，将损害系统可靠性；而规格过高，则会导致解决方案比实际需求更庞大、更昂贵。
通过设计一系列实验，在不同功率等级和多种PCB设计下测量IPM的稳态温度，深华颖半导体用一组温度与功耗的关系曲线，为电机控制系统的设计师提供了准确的参考。利用这些曲线，可以针对任何特定应用在成本、尺寸和可靠性方面的限制，优化热设计、确定合适的功率等级并预估智能功率模块的工作温度。
IPM温度与功耗实验设置图示
通过连接IPM，使已知电流注入构成一个逆变器桥臂的两颗MOSFET的体二极管，并通过改变电流大小，可以研究PCB金属化（即铜箔布局）、模块工作温度与功耗之间的关系。两个二极管两端的电压降等同于模块在该路径上的电压降。因此，测量此电压即可计算出IPM的功耗。图1中的电路图展示了测试设置的简化版本。
图1：电流注入测试的简化电路图
采用这种方法而非分析驱动实际负载（如电机）时逆变器的行为，其优势在于简单性。该实验易于搭建和控制，有效消除了寄生电感与电容、电压电流尖峰以及噪声等干扰因素的影响。鉴于实验目的是通过功耗变化来诱发并测量温度变化，直流电流注入方法及上述干扰因素的缺失并不会影响结果的准确性。
实验采用了六种具有不同尺寸和厚度的PCB金属化（铜箔）布局来评估热性能。表1列出了所测试的金属化模式。
表1：实验采用的PCB走线铜厚为1oz（对应35μm）或2oz（对应70μm），并结合了三种不同的尺寸规格
结果
对于每种PCB设计，通过改变注入逆变器桥臂体二极管的电流，并记录测试电流、电压以及模块的壳温与环境温度，可以分析功耗、PCB设计与工作温度之间的关系。图2的图表绘制了在不同功耗下测得的壳温与环境温度之差（ΔTc-a）。由于PQFN封装的结到壳热阻（RTHj-c）非常低，约为2.2°C/W，因此可以假设在稳态条件下，壳温近似等于结温（Tc ≈ Tj）。这一特性使得深华颖半导体的IPM在热性能预测方面具有更高的准确性。
图2：不同测试金属化图案下，外壳-环境温升与功耗的关系曲线
若该IPM用作风扇控制系统的一部分，风扇运转时可能对模块表面产生一定的冷却效果。在系统热设计过程中也应考虑这一因素。为了评估此类应用下的性能表现，测试板被放置于一个封闭的箱体内，并在模块表面测量风速为0.8 m/s至1.2 m/s的气流。气流速度使用风速计进行测量。图3对比了两种PCB金属化模式在有风扇冷却和无风扇冷却条件下的性能表现。
图3：风扇控制应用中强制风冷的效果对比
热容
预测系统从开机到达到稳态温度这一过程中的热性能通常是很有价值的。为了评估这种瞬态热性能，可以将系统建模为热阻与热容的串联网络。通过计算系统的热时间常数，可以预测从开机到达到稳态之间任意时刻的壳温。对于采用深华颖半导体智能功率模块的设计而言，准确掌握这些热参数有助于优化整体系统可靠性。
采用具有最小金属化面积的测试PCB设计，对注入电流施加一个阶跃变化，并从阶跃施加开始直至温度稳定，记录模块的壳温。由于初始和最终温度下的热阻RTH值已知，通过测量时间常数（τ），即可计算出热容Cth。图4展示了从施加电流阶跃到达到稳态的完整系统的热时间常数。
图4：系统启动时的热行为，其时间常数约为几分钟
结论
用于众多低功率电机驱动中的智能功率模块（IPM），采用了兼具高热效率与小尺寸特点的先进封装。由于这些IPM通常设计为无需外加散热器使用，因此PCB走线提供的散热能力对模块的功率处理能力和可靠性具有决定性影响。
通过对采用各种PCB设计的实验性电机驱动进行稳态热性能和热容量的建模，深华颖半导体生成了一系列特性曲线。这些曲线可用于准确预测系统行为，帮助工程师开发出更具成本效益、更可靠的智能功率模块解决方案推向市场。