策驅動家電核工業自動化行業能效變革

　　隨著物聯網的普及以及工業智能化的提速，智能設備數量在不斷攀升，耗電總量也越來越高。比如家電方面，為了實現遠程控制，需要長時間保持待機狀態，將狀態信息實時上傳到手機客戶端；比如工業自動化方面，為了提高生產效率，人機交互更順暢，需要提高電機轉速，增加顯示屏的尺寸，這些都會帶來功耗負擔。因此在實際應用中，政府和行業機構對于家電產品和工業產品的能耗要求越來越嚴格，從技術的角度來看，就是要求功率轉換的效率越來越高。

　　圖 | 全球變頻空調占比情況，信息源：羅姆調查數據

　　以全球年均出貨量在1.5億臺左右的空調行業為例，各國對其能耗的限制日益嚴苛。2020年7月1日，中國實施了新能效標準GB21455-2019，要求空調產品效率達到80%以上。為了滿足這些要求，現在的空調都是往變頻方向轉變，原來的定頻空調基本已被市場淘汰。此外，新標準還新增了待機功耗要求，以制冷能力在4.5kW以下的機型為例，要求待機功耗從原來的3W降至1W以下。對于制造企業來說，如何在更短的時間內開發出更好、更多類型的產品，是目前面臨的主要問題，它需要生產設計平臺盡量地標準化和模塊化，而對于功率器件來說，用IPM替代傳統功率模塊的趨勢非常明顯。

　　用IPM替代傳統功率模塊的優劣勢分析

　　什么是IPM？IPM是英文Intelligent Power Module的縮寫，翻譯到中文就是智能功率模塊。以開關速度快、損耗小、功耗低、有多種保護功能、抗干擾能力強、無須采取防靜電措施、體積小等優點在電力電子領域得到越來越廣泛的應用。

　　圖 | IPM與傳統功率模塊的區別

　　那么，它跟普通的功率模塊到底有什么區別呢？普通功率模塊是通過一些應用把需要用到的一些功率器件集合在一個封裝里面，這對于設計來說，還需要外圍能夠匹配更合適的驅動，和大量的外圍電路才能驅動功率模塊。而對于IPM來說，它不僅僅把功率器件集成進去了，還把相應的驅動電路以及周邊的保護電路全部集成到了模塊里邊。對于工程師來說，可以像控制邏輯器件一樣來控制功率模塊，非常方便。

　　圖 | 用IPM替代傳統功率模塊的優缺點

　　我們以空調壓縮機控制板為例，來對比一下普通功率模塊和IPM的優劣情況。如圖所示，左邊藍色邊框內是以往的功率驅動板，它是把功率器件、驅動電路和電流檢測保護電路分布在板子上，達到功率轉換的一個電路。右邊紅色邊框內是IPM的方案，我們可以非常直觀地看到，對于節省空間和易于設計這兩個方面來說，IPM占有很大的優勢。但是，在某些性能指標上面，由于分離器件可以更靈活地對外圍器件做調整，具有一定的優勢。不過，隨著新一代IPM性能的提升，調整電路的要求開始弱化，IPM適用的場景越來越多。

　　新一代IPM的特點是什么？

　　新一代IPM的主要性能體現在哪里呢？我們以羅姆近期推出的600V耐壓IGBT IPM “BM6437x系列”為例，總結了IPM的三大特點。

　　特點一：噪聲低且節能

　　圖 | 羅姆新一代IPM產品噪聲、功耗測試結果

　　（功率損耗與普通IPM產品同等，且噪聲降低6dB以上）

　　其實低噪聲和低功耗是一對矛盾體，羅姆半導體（上海）有限公司技術中心高級經理顧偉俊表示：“降噪不僅僅是通過一些工藝的改善，尤其是針對EMI降噪，它跟IPM模塊里邊的IGBT的開關速度有一個直接的關系，IGBT的開關速度越快，噪音就會越大，它跟損耗是相關聯的，為了保證減少損耗，要求開關速度盡可能地快。要同時達到這兩點，只能通過各個功率器件之間的完美匹配，通過驅動電路的阻抗匹配，通過各個器件之間的噪音的等級，包括我們IGBT的管子，包括快恢復管，包括其他的HVIC里邊的邏輯電路的影響。把這些因素全部綜合考慮，然后找到一個平衡點，才能起到一個降噪的過程，這也是羅姆新一代的IPM BM6437x系列所采用的策略。”

　　特點二：高精度溫度監控

　　圖 | 羅姆新一代IPM產品溫度監控測試結果

　　在普通的IPM產品中雖然也有溫度輸出功能，在靠近主功率器件的HVIC上面，但不是關注的重點，所以溫度輸出的精度相對較差，一般在5%上下。但在IPM的實際應用過程中，溫度監控可以體現整個系統是否能夠安全、可靠地工作，溫度輸出的誤差越大，必須考量的余量就越大，對于IPM的使用限制就會越多，有些客戶為了保障產品性能的最大提高，會采用外置的熱敏電阻來增加可靠的溫度檢測，這將額外地增加成本。

　　顧偉俊表示：“羅姆新一代IPM將溫度輸出的精度設計到與外置熱敏電阻基本相同的2%的精度，在同樣的應用中完全可以省略掉外置熱敏電阻等外圍電路，既能節約成本，又能加快開發速度。”

　　特點三：新增“產品識別功能”

　　圖 | 羅姆新一代IPM產品新增“產品識別功能”

　　熟悉功率模塊或系統開發的人知道，考慮到散熱的問題，普通的IPM背面有一個很大的散熱片，所以產品標簽都是印在了IPM的背面。當IPM插上PCB板，試裝完以后，我們將看不到實際的標簽，所以無法通過光學的手段辨別出采用型號是否正確。

　　顧偉俊表示：“為了便于在線測試的時候不會產生誤操作或者是混入其他的料號，羅姆根據客戶的需求，在新一代的IPM開發的時候，增加了產品識別功能，通過阻抗測量儀能夠區分不同的型號以及是否是其他廠商產品混入的狀態，能夠支持客戶在線檢測出料號是否正確，大大保障了生產的可靠性。”

　　IPM的普及程度如何？

　　分析完IPM的需求、優劣勢以及新一代IPM的技術參數，我們再來聊一聊市場。

　　我們再以空調行業為例，目前在變頻空調領域，80%~90%以上的機型全都使用了IPM，IPM基本上已經是發展的主流了。此外，現在空調的開發周期，國外一般是兩年或者兩年以上的周期，國內的話，開發周期非常短，基本上六個月以內必須要有產品上市，所以再用分離器件的話，連測試的周期都不能保證，IPM的應用已經不可避免。其實，現在不僅僅是空調行業，在通用工業伺服領域，7kW以內的產品也在大批量采用IPM。

　　顧偉俊表示：“最早期的時候，因為IPM價格可能稍微貴一點，所以分離器件用的還比較多，現在IPM價格并不是太大的障礙了，而對于實際生產來說，用分離器件不可避免地在生產制造過程中會有很多的品質問題，因為這么多器件要求保證穩定，對于生產保障要求非常高。但IPM基本上避免了這些問題，所以制造商現在對于IPM的接受程度已經很高了。”

　　結語

　　IPM大規模替代傳統功率模塊已成定局，而值得一提的是，在汽車電動化變革勢不可擋的今天，就IPM車規化的進程與目前的瓶頸，顧偉俊告訴與非網，“目前市場上很少有能滿足車企需要的IPM的產品應用，而對于生產廠家來說，最大的問題之一就是原來面向工控的產品如何能夠滿足車規級的要求。因為車廠對于功率器件的要求是非常嚴格的，包括性能，包括性能的保障，可靠性方面要進一步的保障，如何保證產品不壞，異常的時候如何維持正常的工作，這些問題都是以前工業級別的時候不需要討論的問題，對于車規市場來說，是必須要解決的問題，所以IPM的開發也是針對于客戶的要求不斷地改善電路的一個過程，尤其是在保護和應用上面，如何達到車規級的要求，也是一個不斷地增加電路復雜程度的過程。”