家用電器專用智能功率模塊應用技術規范的研究

徐鴻 陳麗芬 趙鵬

中國家用電器研究院 北京 100037

1 引言

變頻控制器是變頻空調、冰箱、洗衣機、電磁爐等的核心控制部件，它承擔了電機驅動、PFC功率校正以及相關執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）及輔助電路構成，隨著變頻控制理論在近幾十年的發展成熟，加之算法的改進，實際應用中對變頻控制器用MCU的性能要求越來越高，對IPM模塊的工作效率也提出了更高要求。

家電產品用變頻控制器受批量、家電產品價格的影響，屬于量大價低的產品，國外半導體公司無論在MCU還是IPM上均占有絕對壟斷地位。但由于供應量不穩定，家電企業經常受到芯片、模塊延期供應甚至斷貨的威脅，在一定程度上影響了變頻家電產品的生產。國內半導體企業經過國家多年的支持與大力發展也形成了一定的規模生產能力，但成品并未大批量在產品上使用，主要是第三方公共檢測平臺在該領域檢測能力的缺失，導致變頻控制器產品缺乏質量約束，家電企業對國產器件存在不信任的情況。國產器件在沒有得到大量、長期驗證之前，很難被家電企業認可和使用，這已經成為制約我國家用電器中變頻控制器國產化的關鍵問題。因此本文提出一套家用電器專用智能功率模塊的應用技術規范，對其在能力、性能、可靠性等方面進行檢測，推動家電產品變頻控制器的國產化進程，促進國產半導體行業的良性發展。

2 變頻控制器工作原理

無刷直流電機（BLDC）因其優越的性能，良好的可靠性，已廣泛運用于各個領域[1]，在家電領域，因其在節能環保、低噪智能、高舒適性等方面的優良表現，促進了電機型家用電器采用直流無刷電機的需求，本文也以直流無刷電機的控制為例，簡要介紹變頻控制器的工作原理，如圖1所示。

電機的轉子上粘有已充磁的永磁體，定子繞組多做成三相對稱的星形接法，控制電機轉動的前提條件是獲取到轉子的位置信息[2]。電機轉子極性的檢測可以有兩種方法，一種是在內部安裝傳感器，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變壓器；另一種是在無位置傳感器的情況下利用反電動勢估測法或者集成在微控制中的無傳感器位置檢測算法得到轉子的位置信息。根據電機轉子的位置來確定定子繞組換相的時刻，從而控制電機的運轉速度及方向。

圖1中功率模塊需要實現的功能包括：接收電機的啟動、停止、制動信號并控制電機的這三種動作；接收位置及方向信號，通過控制功率模塊中開關管的通斷來產生連續轉矩；接收速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等。

控制器按照芯片的集成程度不同，其能夠實現的功能以及適用的場合也存在一定的差異：

（1）單芯片的解決方案，即MCU、門極驅動模塊、功率控制模塊以及反饋電路模塊都集成到一塊芯片中，這種方式無論是從硬件設計還是在軟件算法上，都極大地降低了電機控制的復雜度，適用于風扇、水泵等小功率器件。

（2）門極驅動與功率控制模塊集成，搭配不同的MCU來實現對電機的控制，其中門極驅動電路可以設置不同的參數，且由于功率控制模塊被集成在芯片內部，在電路設計的繁瑣度被大大簡化的同時又保留了軟件設計的靈活性，通常的輸出功率在100W左右，可以應用在無人機、汽車重力轉向等領域。

（3）MCU與門極驅動電路集成，功率模塊外置，這樣的設計可以構建不同功率等級的系統，配置靈活，減小了系統的體積，可以應用在高速吸塵器、電動工具等產品中。

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關器件，是由優選的門極驅動電路、保護電路以及高速、低功率的開關器件構成[3]，功能框圖如圖2所示。

從IPM的內部功能機制可以看出，它不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還內藏有電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護等故障檢測電路，并可將檢測信號輸出至控制器作處理。

圖1 電機控制原理框圖

圖2 IPM功能框圖

表1 電性能測試列表

表2 絕緣強度測試列表

在IPM市場迅猛發展的同時，其在家電行業相應的準入制度卻存在嚴重脫節，至今沒有一套完善的技術體系來指導和規范產品的設計、生產、測試、安裝、使用等環節。市場上相關產品的質量參差不齊，在產品性能指標、安全指標、生產要求、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，增大了家電整機的生產、維修成本。這無論是對半導體產品本身的發展，還是對整個家電行業的進步，都是非常不利的。

3 檢測項目及方法研究

結合變頻控制器在家電中的應用，從性能、可靠性、能力等方面對IPM提出要求，具體內容如下所示。

（1）外觀質量

標志應完整、準確、清晰、耐久；表面無機械損傷；引腳無氧化、無銹跡、無污物、無變形、無折斷。塑封表面的器件型號、生產批次、廠商（產地）等標識的印刷應自然且塑封，表面不得有磨痕。

（2）外形尺寸

產品說明書需注明IPM安裝孔、引腳、幾何尺寸和封裝尺寸、散熱面平整度，IPM模塊實物應符合說明書的規定值。

（3）電性能

電性能測試項目及要求如表1所示。

表3 靜電放電測試列表

表4 電磁兼容測試列表

表5 焊接空洞率要求表

（4）絕緣強度

絕緣強度測試項目及要求如表2所示。

（5）靜電放電

靜電放電測試項目、參數及方法如表3所示。

（6）電磁兼容

電磁兼容測試項目及方法如表4所示。

（7）焊接分層檢測

①引腳可焊性

將引腳浸過助焊劑后，沿軸線方向浸入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，要求浸入部分應上錫明亮光滑，只允許有少量分散的如針孔不潤濕或半潤濕之類的缺陷，且這些缺陷不出現在同一位置。

②引腳耐焊接熱

將試樣引腳浸過助焊劑后，沿軸線方向浸入（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。被測器件試驗后恢復1h，外觀應無損傷，電性能測試應符合本標準要求。

（8）封裝缺陷檢測

①空洞率

用X-Ray檢測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，試驗樣品的散熱片、貼片元器件、驅動IC（集成電路）、引腳、IGBT、FRD（快恢復二極管）的焊接空洞率要求如表5所示，必要時用軟件計算。

②封裝分層

用超聲波掃描檢測IPM成品的分層情況，分別在每一個模具位置抽1個模塊進行聲掃。應符合下述要求：

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象。

c)聚焦在驅動IC表面，驅動IC表面不能有分層現象，芯片位置不能有空洞。

d)聚焦在內引腳表面，內引腳表面不能有分層現象。

e)聚焦在鋁基板功能面，鋁基板功能面不能有分層現象，鍵合線位置不能有空洞。

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）環境耐久性試驗

環境耐久性測試項目、參數及依據標準如表6所示。

（10）機械強度試驗

機械強度測試項目及要求如表7所示。

（11）限用物質

按照IEC 62321系列標準的測試方法測試產品中的鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯苯、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含量。

4 結論

綜上所述，本文提出了一套針對家電變頻控制器專用智能功率模塊的統一的應用技術規范，從基本結構、性能要求、質量評價方法、安全要求等方面提出了具體要求，確定了其在家電行業應用的準入門檻，為半導體企業產品研發、生產提供技術支撐，填補了行業空白，為家電企業提供相關產品的統一的衡量尺度，降低整機企業的開發成本，將有效推動以智能模塊功率為代表的新一代半導體器件在家電行業的發展和應用，提升我國家電產品的技術水平，促進我國家用電器行業的整體發展。

表6 環境耐久性測試列表

表7 機械強度測試列表