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(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、電磁爐等的核心控制部件，它承擔(dān)了電機(jī)驅(qū)動、PFC功率校正以及相關(guān)執(zhí)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(gòu)成，隨著變頻控制理論在近幾十年的發(fā)展成熟，加之算法的改進(jìn)，實(shí)際應(yīng)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(chǎn)品用變頻控制器受批量、家電產(chǎn)品價格的影響，屬于量大價低的產(chǎn)品，國外半導(dǎo)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(yīng)量不穩(wěn)定，家電企業(yè)經(jīng)常受到芯片、模塊延期供應(yīng)甚至斷貨的威脅，在一定程度上影響了變頻家電產(chǎn)品的生產(chǎn)。國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)經(jīng)過國家多年的支持與大力發(fā)展也形成了一定的規(guī)模生產(chǎn)能力，但成品并未大批量在產(chǎn)品上使用，主要是第三方公共檢測平臺在該領(lǐng)域檢測能力的缺失，導(dǎo)致變頻控制器產(chǎn)品缺乏質(zhì)量約束，家電企業(yè)對國產(chǎn)器件存在不信任的情況。國產(chǎn)器件在沒有得到大量、長期驗(yàn)證之前，很難被家電企業(yè)認(rèn)可和使用，這已經(jīng)成為制約我國家用電器中變頻控制器國產(chǎn)化的關(guān)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(yīng)用技術(shù)規(guī)范，對其在能力、性能、可靠性等方面進(jìn)行檢測，推動家電產(chǎn)品變頻控制器的國產(chǎn)化進(jìn)程，促進(jìn)國產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)的良性發(fā)展。

2 變頻控制器工作原理

無刷直流電機(jī)（BLDC）因其優(yōu)越的性能，良好的可靠性，已廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域[1]，在家電領(lǐng)域，因其在節(jié)能環(huán)保、低噪智能、高舒適性等方面的優(yōu)良表現(xiàn)，促進(jìn)了電機(jī)型家用電器采用直流無刷電機(jī)的需求，本文也以直流無刷電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)動的前提條件是獲取到轉(zhuǎn)子的位置信息[2]。電機(jī)轉(zhuǎn)子極性的檢測可以有兩種方法，一種是在內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子的位置信息。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置來確定定子繞組換相的時刻，從而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及方向。

圖1中功率模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能包括：接收電機(jī)的啟動、停止、制動信號并控制電機(jī)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(guān)管的通斷來產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接收速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等。

控制器按照芯片的集成程度不同，其能夠?qū)崿F(xiàn)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(qū)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(shè)計(jì)還是在軟件算法上，都極大地降低了電機(jī)控制的復(fù)雜度，適用于風(fēng)扇、水泵等小功率器件。

（2）門極驅(qū)動與功率控制模塊集成，搭配不同的MCU來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，其中門極驅(qū)動電路可以設(shè)置不同的參數(shù)，且由于功率控制模塊被集成在芯片內(nèi)部，在電路設(shè)計(jì)的繁瑣度被大大簡化的同時又保留了軟件設(shè)計(jì)的靈活性，通常的輸出功率在100W左右，可以應(yīng)用在無人機(jī)、汽車重力轉(zhuǎn)向等領(lǐng)域。

（3）MCU與門極驅(qū)動電路集成，功率模塊外置，這樣的設(shè)計(jì)可以構(gòu)建不同功率等級的系統(tǒng)，配置靈活，減小了系統(tǒng)的體積，可以應(yīng)用在高速吸塵器、電動工具等產(chǎn)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(guān)器件，是由優(yōu)選的門極驅(qū)動電路、保護(hù)電路以及高速、低功率的開關(guān)器件構(gòu)成[3]，功能框圖如圖2所示。

從IPM的內(nèi)部功能機(jī)制可以看出，它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)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(jī)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(qiáng)度測試列表

在IPM市場迅猛發(fā)展的同時，其在家電行業(yè)相應(yīng)的準(zhǔn)入制度卻存在嚴(yán)重脫節(jié)，至今沒有一套完善的技術(shù)體系來指導(dǎo)和規(guī)范產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試、安裝、使用等環(huán)節(jié)。市場上相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，在產(chǎn)品性能指標(biāo)、安全指標(biāo)、生產(chǎn)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(jī)的生產(chǎn)、維修成本。這無論是對半導(dǎo)體產(chǎn)品本身的發(fā)展，還是對整個家電行業(yè)的進(jìn)步，都是非常不利的。

3 檢測項(xiàng)目及方法研究

結(jié)合變頻控制器在家電中的應(yīng)用，從性能、可靠性、能力等方面對IPM提出要求，具體內(nèi)容如下所示。

（1）外觀質(zhì)量

標(biāo)志應(yīng)完整、準(zhǔn)確、清晰、耐久；表面無機(jī)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(chǎn)批次、廠商（產(chǎn)地）等標(biāo)識的印刷應(yīng)自然且塑封，表面不得有磨痕。

（2）外形尺寸

產(chǎn)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(shí)物應(yīng)符合說明書的規(guī)定值。

（3）電性能

電性能測試項(xiàng)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(qiáng)度

絕緣強(qiáng)度測試項(xiàng)目及要求如表2所示。

（5）靜電放電

靜電放電測試項(xiàng)目、參數(shù)及方法如表3所示。

（6）電磁兼容

電磁兼容測試項(xiàng)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(yīng)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(xiàn)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(yàn)后恢復(fù)1h，外觀應(yīng)無損傷，電性能測試應(yīng)符合本標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)樣品的散熱片、貼片元器件、驅(qū)動IC（集成電路）、引腳、IGBT、FRD（快恢復(fù)二極管）的焊接空洞率要求如表5所示，必要時用軟件計(jì)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(jìn)行聲掃。應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)象。

c)聚焦在驅(qū)動IC表面，驅(qū)動IC表面不能有分層現(xiàn)象，芯片位置不能有空洞。

d)聚焦在內(nèi)引腳表面，內(nèi)引腳表面不能有分層現(xiàn)象。

e)聚焦在鋁基板功能面，鋁基板功能面不能有分層現(xiàn)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(huán)境耐久性試驗(yàn)

環(huán)境耐久性測試項(xiàng)目、參數(shù)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

（10）機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)

機(jī)械強(qiáng)度測試項(xiàng)目及要求如表7所示。

（11）限用物質(zhì)

按照IEC 62321系列標(biāo)準(zhǔn)的測試方法測試產(chǎn)品中的鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)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(zhì)含量。

4 結(jié)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(tǒng)一的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，從基本結(jié)構(gòu)、性能要求、質(zhì)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(yè)應(yīng)用的準(zhǔn)入門檻，為半導(dǎo)體企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，填補(bǔ)了行業(yè)空白，為家電企業(yè)提供相關(guān)產(chǎn)品的統(tǒng)一的衡量尺度，降低整機(jī)企業(yè)的開發(fā)成本，將有效推動以智能模塊功率為代表的新一代半導(dǎo)體器件在家電行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，提升我國家電產(chǎn)品的技術(shù)水平，促進(jìn)我國家用電器行業(yè)的整體發(fā)展。

表6 環(huán)境耐久性測試列表

表7 機(jī)械強(qiáng)度測試列表