劉媛 夏華 李世君 杜延春 許鵬 葉超

1.山東省計(jì)量檢測(cè)中心 山東濟(jì)南 250014；2.山東省社會(huì)公正計(jì)量行有限公司 山東濟(jì)南 250014；3.山東省計(jì)量科學(xué)研究院 山東濟(jì)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(diào)、冰箱、彩電、洗衣機(jī)等家電等電器設(shè)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(fā)展和算法的進(jìn)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(jià)較低、需求量較大，且比較容易受到市場(chǎng)供需關(guān)系變化的影響。我國(guó)半導(dǎo)體企業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)歷經(jīng)了許久的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到了較為可觀的水平，但從產(chǎn)品產(chǎn)量角度上講，產(chǎn)品產(chǎn)量并未達(dá)到應(yīng)有水平，第三方檢測(cè)平臺(tái)的缺失和變頻控制器產(chǎn)品質(zhì)量的缺失會(huì)導(dǎo)致家電生產(chǎn)企業(yè)大多不太信任國(guó)產(chǎn)器件的質(zhì)量，更加重了我國(guó)相關(guān)器件的發(fā)展困境。

2 家用電器專用智能功率模塊原理

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）是一種功率性能較為優(yōu)質(zhì)、設(shè)備穩(wěn)定性較高，能在許多領(lǐng)域中發(fā)揮智能化控制功率的效果。在家電領(lǐng)域中，BLDC能夠體現(xiàn)出降低能耗、沒(méi)有噪音、舒適性強(qiáng)等性能特點(diǎn)，能夠廣泛適用于電機(jī)型家用電器，滿足智能化功率模塊應(yīng)用需求。

BLDC的轉(zhuǎn)子吸附著許多永磁體，定子繞組根據(jù)星形接法連接電路，獲取轉(zhuǎn)子的位置條件，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)部；另一種不需要位置傳感器，僅利用反電動(dòng)勢(shì)估測(cè)法或者集成在微控制中的無(wú)傳感器位置檢測(cè)算法得到轉(zhuǎn)子的位置信息[2]。

功率模塊主要包括的具體功能有：電機(jī)的起動(dòng)、停止與制動(dòng)，接收位置及方向信號(hào)，控制功率模塊功能的開(kāi)啟與關(guān)閉要根據(jù)接收速度指令和速度反饋信號(hào)來(lái)進(jìn)行確認(rèn)，相關(guān)工作人員需要通過(guò)功率控制模塊調(diào)整轉(zhuǎn)速，用以保護(hù)與顯示家用電器的質(zhì)量。

芯片的集成效果不同時(shí)，控制器功能會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，從而影響其功率控制性能和應(yīng)用環(huán)境。

（1）MCU、門極驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)與軟件算法可以有效降低電機(jī)控制復(fù)雜度，較為符合風(fēng)扇、電泵等功率較小的電器設(shè)備功率模塊需求。

（2）集成門極驅(qū)動(dòng)與功率控制模塊，與不同MCU搭配，從而完成對(duì)控制電機(jī)的效果。操作人員可以設(shè)置與調(diào)整門極驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)，將專用智能功率控制模塊集成于芯片內(nèi)部，不僅能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，也能夠提升電器設(shè)計(jì)的靈活性，通常的電器輸出功率為100W。

（3）MCU與門極驅(qū)動(dòng)電路集成會(huì)將功率模塊外置，從而構(gòu)建功率等級(jí)具備一定差異的系統(tǒng)，提升配置的便捷性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)規(guī)模，可以廣泛應(yīng)用與高速吸塵器、電動(dòng)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(kāi)關(guān)器件，是由優(yōu)選的門極驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及高速、低功率的開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成。

從IPM的內(nèi)部功能機(jī)制可以看出，它不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)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(shù)規(guī)范研究

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(duì)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(wú)機(jī)械損傷；引腳無(wú)氧化、無(wú)銹跡、無(wú)污物、無(wú)變形、無(wú)折斷。塑封表面的器件型號(hào)、生產(chǎn)批次、廠商（產(chǎn)地）等標(biāo)識(shí)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(shuō)明書(shū)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(shuō)明書(shū)的規(guī)定值。③電性能。電性能測(cè)試項(xiàng)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(hù)動(dòng)作電壓、過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作電壓、溫度輸出及過(guò)溫保護(hù)、錯(cuò)誤循環(huán)供電電壓及輸出脈寬寬度、輸出輸入端漏電流、靜態(tài)電流、開(kāi)通關(guān)斷延遲時(shí)間、IPM功耗。要求為符合IPM規(guī)格書(shū)最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)值及測(cè)試條件。④絕緣強(qiáng)度。絕緣強(qiáng)度測(cè)試項(xiàng)目及要求：電氣強(qiáng)度：IPM帶電部件與散熱基片間應(yīng)能經(jīng)受1800AC耐壓試驗(yàn)；電氣間隙及爬電距離：判定參見(jiàn)GB/T4706.1-2005測(cè)量方法按GB/T16935.1-2008。⑤靜電放電。靜電放電測(cè)試項(xiàng)目測(cè)試方法：HBM人體靜電放電模式 IEC60749-26：2018；MM機(jī)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(cè)試項(xiàng)目主要包括：連續(xù)騷擾電壓、斷續(xù)騷擾電壓、連續(xù)騷擾功率、輻射發(fā)射、靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度、浪涌沖擊抗擾度、電壓暫降短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度等，應(yīng)符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

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(yīng)用技術(shù)規(guī)范，主要包括基本結(jié)構(gòu)、性能要求、質(zhì)量評(píng)價(jià)、安全措施等內(nèi)容的實(shí)際要求，確定了變頻控制器在家電行業(yè)應(yīng)用的準(zhǔn)入門檻，作為該產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的統(tǒng)一質(zhì)量衡量尺度，降低相關(guān)企業(yè)的開(kāi)發(fā)成，合理促進(jìn)以智能模塊功率為代表的半導(dǎo)體器件在家電行業(yè)的應(yīng)用與發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)家電產(chǎn)品的技術(shù)水平的進(jìn)步，促進(jìn)我國(guó)家用電器行業(yè)的整體發(fā)展。