家用電器專用智能功率模塊應用技術規范應用研究

劉媛 夏華 李世君 杜延春 許鵬 葉超

1.山東省計量檢測中心 山東濟南 250014；2.山東省社會公正計量行有限公司 山東濟南 250014；3.山東省計量科學研究院 山東濟南 250014

專用智能功率模塊的核心器件為變頻控制器，變頻控制器主要用于空調、冰箱、彩電、洗衣機等家電等電器設備的頻率控制，主要包括電源、控制單元、功率元件等基本組件及其配套電路。變頻理論的發展和算法的進步提升了變頻控制器和IPM模塊的工作效率的性能要求[1]。

1 家用電器專用智能功率模塊概述

家電配套的變頻控制器造價較低、需求量較大，且比較容易受到市場供需關系變化的影響。我國半導體企業在國內的發展已經歷經了許久的發展，產業規模達到了較為可觀的水平，但從產品產量角度上講，產品產量并未達到應有水平，第三方檢測平臺的缺失和變頻控制器產品質量的缺失會導致家電生產企業大多不太信任國產器件的質量，更加重了我國相關器件的發展困境。

2 家用電器專用智能功率模塊原理

無刷直流電機（BLDC）是一種功率性能較為優質、設備穩定性較高，能在許多領域中發揮智能化控制功率的效果。在家電領域中，BLDC能夠體現出降低能耗、沒有噪音、舒適性強等性能特點，能夠廣泛適用于電機型家用電器，滿足智能化功率模塊應用需求。

BLDC的轉子吸附著許多永磁體，定子繞組根據星形接法連接電路，獲取轉子的位置條件，從而控制電機的轉動。檢測電機轉子極性的策略主要有兩類：第一類是將傳感器安裝在器械內部；另一種不需要位置傳感器，僅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[2]。

功率模塊主要包括的具體功能有：電機的起動、停止與制動，接收位置及方向信號，控制功率模塊功能的開啟與關閉要根據接收速度指令和速度反饋信號來進行確認，相關工作人員需要通過功率控制模塊調整轉速，用以保護與顯示家用電器的質量。

芯片的集成效果不同時，控制器功能會發生相應改變，從而影響其功率控制性能和應用環境。

（1）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。該方法的硬件設計與軟件算法可以有效降低電機控制復雜度，較為符合風扇、電泵等功率較小的電器設備功率模塊需求。

（2）集成門極驅動與功率控制模塊，與不同MCU搭配，從而完成對控制電機的效果。操作人員可以設置與調整門極驅動電路的參數，將專用智能功率控制模塊集成于芯片內部，不僅能簡化電路設計，也能夠提升電器設計的靈活性，通常的電器輸出功率為100W。

（3）MCU與門極驅動電路集成會將功率模塊外置，從而構建功率等級具備一定差異的系統，提升配置的便捷性，簡化系統規模，可以廣泛應用與高速吸塵器、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。

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[3]。

3 家用電器專用智能功率模塊技術規范研究

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。電性能測試項目主要包括：母線電壓、控制電壓、邏輯輸入電壓、PWM載波頻率、電源欠壓保護動作電壓、過電流保護動作電壓、溫度輸出及過溫保護、錯誤循環供電電壓及輸出脈寬寬度、輸出輸入端漏電流、靜態電流、開通關斷延遲時間、IPM功耗。要求為符合IPM規格書最大值、最小值、標準值及測試條件。④絕緣強度。絕緣強度測試項目及要求：電氣強度：IPM帶電部件與散熱基片間應能經受1800AC耐壓試驗；電氣間隙及爬電距離：判定參見GB/T4706.1-2005測量方法按GB/T16935.1-2008。⑤靜電放電。靜電放電測試項目測試方法：HBM人體靜電放電模式 IEC60749-26：2018；MM機器靜電放電模式IEC60749-27：2006；CDM器件靜電放電模式 IEC60749-28：2017。⑥電磁兼容。電磁兼容測試項目主要包括：連續騷擾電壓、斷續騷擾電壓、連續騷擾功率、輻射發射、靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、射頻場感應的傳導騷擾抗擾度、浪涌沖擊抗擾度、電壓暫降短時中斷和電壓變化抗擾度等，應符合相關國家標準。

4 結語

本研究提出了一種適用于家電變頻控制器專用智能功率模塊的應用技術規范，主要包括基本結構、性能要求、質量評價、安全措施等內容的實際要求，確定了變頻控制器在家電行業應用的準入門檻，作為該產業產品的統一質量衡量尺度，降低相關企業的開發成，合理促進以智能模塊功率為代表的半導體器件在家電行業的應用與發展，推動我國家電產品的技術水平的進步，促進我國家用電器行業的整體發展。