了解嵌入式驱动器中的电源模块
【导读】将逆变器从控制柜转移到电机导致了新的逆变器设计要求。其中要求的是热管理。标准柜式逆变器在相当友好的环境中运行，没有特殊的 IP 保护要求，与电机不同，电机安装在生产线中靠近正在加工的货物的位置。相比之下，嵌入式驱动器使用内部逆变器，这要求电机和逆变器都防水、防尘，从而影响系统的热性能。
将逆变器从控制柜转移到电机导致了新的逆变器设计要求。其中要求的是热管理。标准柜式逆变器在相当友好的环境中运行，没有特殊的 IP 保护要求，与电机不同，电机安装在生产线中靠近正在加工的货物的位置。相比之下，嵌入式驱动器使用内部逆变器，这要求电机和逆变器都防水、防尘，从而影响系统的热性能。
在 IP65 保护系统中，所有组件的耗散功率只能通过其表面（主要是散热器）排出。因此，嵌入式系统中使用的逆变器的设计必须限度地减少功耗，并使用良好的热界面将所有功耗组件连接到散热器。保持整体温度较低并避免系统内部出现热点，可确保整体系统的可靠性。
图 1. CI + PFC 拓扑。图片由博多电力系统提供 [PDF]
此外，逆变器必须足够小以适应给定的环境，从而实现紧凑的电机设计和高安装密度。例如水处理、热泵和通风系统。系统表面积的减少使得优化热管理变得更加重要。同时，缩小整体系统体积需要智能系统分割，限度地减少功率部分、储能和逆变器控制板之间的互连。
所有应用的共同要求是整流二极管、无源或有源 PFC 以及电机的逆变器级，如图 1 所示。需要额外的 PFC 电路来满足 2012 年制定的能效指令，以开发具有以下功能的应用：更高的效率。
图 2 显示了嵌入式驱动器的两个应用，说明了集成逆变器实现的紧凑性。
图 2. 作为嵌入式驱动系统示例的 Wilo 泵和 ebm-papst 风扇。图片由博多电力系统提供 [PDF]
挑战在于将具有爬电距离和间隙要求的组件（需要 PCB 上的大量空间）移动到适用其他规则的新位置。这些组件包括 CI + PFC 半导体以及自举电路、分流器、缓冲电容器等部件。这就是电源模块发挥作用的地方。电源模块通常填充有电绝缘硅胶，介电强度为每毫米几千伏。用硅胶覆盖组件可以使它们封装得更密。
其中一个障碍是两条轨道之间的距离，当使用标准 Al2O3 DCB 时，该距离需要 >0.5 mm。对于功率半导体裸片来说，这不是一个问题，但对于电阻器、电容器和二极管等分立元件来说，这变得更具挑战性，对于 IC 来说更是如此。在这些情况下，Vincotech 的厚膜技术提供了有前途的解决方案，可实现小于 0.5 毫米的细间距。
Vincotech 为嵌入式驱动应用提供两种类型的模块：仅包含功率半导体的 DCB 模块和还包含有源和无源元件的厚膜模块。虽然两者都基于氧化铝，但它们的主要区别在于基材厚度以及两侧是否有铜平面。由于 Al2O3 是一种易碎材料，需要小心处理，因此厚膜基板的厚度约为 DCB 的两倍，约为 1 毫米。此外，它们具有更高的热阻，因为顶部和底部铜的缺失不允许热扩散。
厚膜模块基于一种技术，该技术允许在氧化铝基板上印刷不同的层，然后在 850 °C 下烧制。各种浆料可用于不同的用途，例如用于高功率轨道的低欧姆导体和电阻器浆料，范围从用于分流器的低值到用于各种电阻器功能的 MΩ 范围内的高值。
激光微调电阻器可提高其精度，而添加玻璃钝化层可提高其可靠性。
图 3. 比较基于 DCB 的模块（左）和厚膜模块（右）。图片由博多电力系统提供 [PDF]
下图描述了集成到厚膜模块中的组件。首先，与标准电源模块的情况不同，栅极驱动器 IC 的实现包括二极管、电阻器和电容器（这种情况非常罕见）。，以栅极电阻和栅极-发射极电容为例。其他 Vincotech 厚膜产品具有不同的开启和关闭栅极电阻，以及可选的栅极发射极电阻，用于在没有电源的情况下对栅极进行放电。
图 4. 厚膜电源模块的内部电路。图片由博多电力系统提供 [PDF]
图 5.不使用 Cge（左）和使用集成 Cge（右）的 EMI 测量。图片由博多电力系统提供 [PDF]
该电路还包括一个 PFC 电路，该电路具有快速 650 V IGBT 或更快的 Si MOSFET 以及快速 Si 二极管，或者当需要更高的开关频率和效率时，还包括 SiC 二极管。
DC+和DC-之间的陶瓷电容器闭合电源电路内的高频环路。栅极和发射极之间的电容器进一步改善了 EMI，如图 5 所示。
电容器的放置会对测量值产生很大影响。
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