家用电器专用智能功率模块应用技术规范的研究

徐鸿  陈丽芬  赵鹏

中国家用电器研究院

摘要

Abstract

为推进家用电器专用智能功率模块在变频控制器应用中的国产化进程，填补第三方检测平台对其技术规范的缺失，从性能、可靠性、能力等方面对智能功率模块提出要求。检测项目包括外观质量、外形尺寸、电性能、绝缘强度、静电放电、电磁兼容、机械强度、限用物质、焊接分层、封装缺陷以及环境耐久性。另外，每一项检测内容均提出了测试方法以及依据标准。

关键词

Keywords

变频控制器；智能功率模块；技术规范；国产化

DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2020.03.010

1  引言 

变频控制器是变频空调、冰箱、洗衣机、电磁炉等的核心控制部件，它承担了电机驱动、PFC功率校正以及相关执行器件的变频控制功能。变频控制器主要由电源、微控制单元（MCU）、智能功率器件（IPM模块、IGBT模块）及辅助电路构成，随着变频控制理论在近几十年的发展成熟，加之算法的改进，实际应用中对变频控制器用MCU的性能要求越来越高，对IPM模块的工作效率也提出了更高要求。

家电产品用变频控制器受批量、家电产品价格的影响，属于量大价低的产品，国外半导体公司无论在MCU还是IPM上均占有绝对垄断地位。但由于供应量不稳定，家电企业经常受到芯片、模块延期供应甚至断货的威胁，在一定程度上影响了变频家电产品的生产。国内半导体企业经过国家多年的支持与大力发展也形成了一定的规模生产能力，但成品并未大批量在产品上使用，主要是第三方公共检测平台在该领域检测能力的缺失，导致变频控制器产品缺乏质量约束，家电企业对国产器件存在不信任的情况。国产器件在没有得到大量、长期验证之前，很难被家电企业认可和使用，这已经成为制约我国家用电器中变频控制器国产化的关键问题。因此本文提出一套家用电器专用智能功率模块的应用技术规范，对其在能力、性能、可靠性等方面进行检测，推动家电产品变频控制器的国产化进程，促进国产半导体行业的良性发展。

2  变频控制器工作原理 

无刷直流电机（BLDC）因其优越的性能，良好的可靠性，已广泛运用于各个领域`1`，在家电领域，因其在节能环保、低噪智能、高舒适性等方面的优良表现，促进了电机型家用电器采用直流无刷电机的需求，本文也以直流无刷电机的控制为例，简要介绍变频控制器的工作原理，如图1所示。

图1 电机控制原理框图

电机的转子上粘有已充磁的永磁体，定子绕组多做成三相对称的星形接法，控制电机转动的前提条件是获取到转子的位置信息`2`。电机转子极性的检测可以有两种方法，一种是在内部安装传感器，例如低精度的霍尔传感器、高精度的光栅编码器以及高可靠性的旋转变压器；另一种是在无位置传感器的情况下利用反电动势估测法或者集成在微控制中的无传感器位置检测算法得到转子的位置信息。根据电机转子的位置来确定定子绕组换相的时刻，从而控制电机的运转速度及方向。

图1中功率模块需要实现的功能包括：接收电机的启动、停止、制动信号并控制电机的这三种动作；接收位置及方向信号，通过控制功率模块中开关管的通断来产生连续转矩；接收速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。

控制器按照芯片的集成程度不同，其能够实现的功能以及适用的场合也存在一定的差异：

（1）单芯片的解决方案，即MCU、门极驱动模块、功率控制模块以及反馈电路模块都集成到一块芯片中，这种方式无论是从硬件设计还是在软件算法上，都极大地降低了电机控制的复杂度，适用于风扇、水泵等小功率器件。

（2）门极驱动与功率控制模块集成，搭配不同的MCU来实现对电机的控制，其中门极驱动电路可以设置不同的参数，且由于功率控制模块被集成在芯片内部，在电路设计的繁琐度被大大简化的同时又保留了软件设计的灵活性，通常的输出功率在100W左右，可以应用在无人机、汽车重力转向等领域。

（3）MCU与门极驱动电路集成，功率模块外置，这样的设计可以构建不同功率等级的系统，配置灵活，减小了系统的体积，可以应用在高速吸尘器、电动工具等产品中。

智能功率模块（IPM）是变频控制器的功率模块使用率较高的一种开关器件，是由优选的门极驱动电路、保护电路以及高速、低功率的开关器件构成`3`，功能框图如图2所示。

图2 IPM功能框图

从IPM的内部功能机制可以看出，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护等故障检测电路，并可将检测信号输出至控制器作处理。

在IPM市场迅猛发展的同时，其在家电行业相应的准入制度却存在严重脱节，至今没有一套完善的技术体系来指导和规范产品的设计、生产、测试、安装、使用等环节。市场上相关产品的质量参差不齐，在产品性能指标、安全指标、生产要求、安装方法等方面都存在较大差别，使得这些模块不能相互通用，增大了家电整机的生产、维修成本。这无论是对半导体产品本身的发展，还是对整个家电行业的进步，都是非常不利的。

3  检测项目及方法研究 

结合变频控制器在家电中的应用，从性能、可靠性、能力等方面对IPM提出要求，具体内容如下所示。

（1）外观质量

标志应完整、准确、清晰、耐久；表面无机械损伤；引脚无氧化、无锈迹、无污物、无变形、无折断。塑封表面的器件型号、生产批次、厂商（产地）等标识的印刷应自然且塑封，表面不得有磨痕。

（2）外形尺寸

产品说明书需注明IPM安装孔、引脚、几何尺寸和封装尺寸、散热面平整度，IPM模块实物应符合说明书的规定值。

（3）电性能

电性能测试项目及要求如表1所示。

（4）绝缘强度

绝缘强度测试项目及要求如表2所示。

（5）静电放电

静电放电测试项目、参数及方法如表3所示。

（6）电磁兼容

电磁兼容测试项目及方法如表4所示。

（7）焊接分层检测

①引脚可焊性

将引脚浸过助焊剂后，沿轴线方向浸入240～245℃、Sn96.5-Ag3-Cu0.5的熔融焊锡槽中2～3s，样品本体距熔融焊料1.6mm，取出后用3～10倍放大镜观察，要求浸入部分应上锡明亮光滑，只允许有少量分散的如针孔不润湿或半润湿之类的缺陷，且这些缺陷不出现在同一位置。

②引脚耐焊接热

将试样引脚浸过助焊剂后，沿轴线方向浸入（260±5）℃的Sn96.5-Ag3-Cu0.5熔融焊锡槽中（10±0.5）s，本体距熔融焊料1.8mm。被测器件试验后恢复1h，外观应无损伤，电性能测试应符合本标准要求。

（8）封装缺陷检测

①空洞率

用X-Ray检测IPM模块贴片元器件、IC、引脚、IGBT、FRD的焊接空洞率。

观察不同位置焊接状况，试验样品的散热片、贴片元器件、驱动IC（集成电路）、引脚、IGBT、FRD（快恢复二极管）的焊接空洞率要求如表5所示，必要时用软件计算。

②封装分层

用超声波扫描检测IPM成品的分层情况，分别在每一个模具位置抽1个模块进行声扫。应符合下述要求：

a)聚焦在IGBT/FRD芯片表面，芯片表面不能有分层现象，芯片位置不能有空洞。

b)聚焦在散热片表面，散热片表面不能有分层现象。

c)聚焦在驱动IC表面，驱动IC表面不能有分层现象，芯片位置不能有空洞。

d)聚焦在内引脚表面，内引脚表面不能有分层现象。

e)聚焦在铝基板功能面，铝基板功能面不能有分层现象，键合线位置不能有空洞。

f)聚焦在铝基板背面表面，分层面积不大于2.5%/孔。

g)其他位置的空洞面积不大于2.5%。

（9）环境耐久性试验

环境耐久性测试项目、参数及依据标准如表6所示。

（10）机械强度试验

机械强度测试项目及要求如表7所示。

（11）限用物质

按照IEC 62321系列标准的测试方法测试产品中的铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚、邻苯二甲酸（2-乙基己基）酯、邻苯二甲酸甲苯基丁酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯十种限用物质含量。

4  结论 

综上所述，本文提出了一套针对家电变频控制器专用智能功率模块的统一的应用技术规范，从基本结构、性能要求、质量评价方法、安全要求等方面提出了具体要求，确定了其在家电行业应用的准入门槛，为半导体企业产品研发、生产提供技术支撑，填补了行业空白，为家电企业提供相关产品的统一的衡量尺度，降低整机企业的开发成本，将有效推动以智能模块功率为代表的新一代半导体器件在家电行业的发展和应用，提升我国家电产品的技术水平，促进我国家用电器行业的整体发展。

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参考文献

`1` 深入理解无刷直流电机（BLDC）原理以及控制`OL`. http://edu.21dianyuan.com/index/course_info/cid/351

`2` 李倩. 无刷直流电机构成及工作原理详解`OL`. http://m.elecfans.com/article/771247.html,2018-09-06.

`3` 李广海. IPM驱动和保护电路的研究`J`. 电子技术应用，2003,(12):43-49