英飞凌CIPOS™ IKCM15R60GD：双相开关磁阻驱动的理想之选

在电子工程师的日常工作中，选择合适的功率模块对于设计的成功至关重要。今天，我们来深入了解英飞凌的Control Integrated POwer System（CIPOS™）IKCM15R60GD，一款专为双相开关磁阻驱动设计的智能功率模块。

文件下载：IKCM15R60GDXKMA1.pdf

一、产品概述

CIPOS™ IKCM15R60GD属于双列直插式智能功率模块，适用于双相开关磁阻驱动，额定电压600V，额定电流15A。它集成了多种功率和控制组件，旨在提高系统可靠性、优化PCB尺寸和降低系统成本。

（一）产品特性

1. 先进的IGBT技术：采用TRENCHSTOP™ IGBTs，具备出色的电气性能。
2. 稳定的驱动技术：坚固的SOI栅极驱动技术，对瞬态和负电压具有稳定性，允许负VS电位高达 -11V（VBS = 15V时用于信号传输）。
3. 集成功能：集成自举功能、过流关断、温度监测、欠压锁定等功能，在保护期间所有4个开关都会关闭。
4. 环保设计：无铅端子电镀，符合RoHS标准。
5. 低热阻：由于采用DCB（直接覆铜基板），具有非常低的热阻。

（二）目标应用

主要用于双相开关磁阻驱动，例如真空吸尘器等变速驱动应用中的双相开关磁阻电机控制。

二、系统配置

（一）核心组件

1. 双相开关磁阻驱动：采用TRENCHSTOP™ IGBTs，确保高效的功率转换。
2. SOI栅极驱动：提供稳定的驱动信号。
3. 热敏电阻：用于温度监测。
4. 散热设计：引脚到散热器的间隙距离典型值为1.6mm，有助于良好的散热。

三、引脚配置与说明

（一）引脚配置

从底部视图来看，该模块有24个引脚，包括电源输入、控制输入、故障输出、热敏电阻等引脚。具体引脚配置如图1所示（此处可参考文档中的图1）。

（二）引脚说明

1. HIN(A, B)和LIN(A, B)（IGBT控制引脚，引脚7 - 10）：正逻辑引脚，负责集成IGBT的控制。具有施密特触发器输入阈值，保证与LSTTL和CMOS兼容，最低可兼容3.3V控制器输出。内部提供约5kΩ的下拉电阻，在电源启动时对输入进行预偏置，并设有齐纳钳位用于引脚保护。输入施密特触发器和噪声滤波器可有效抑制短输入脉冲的噪声。不建议输入脉冲宽度低于1µs。
2. VFO（故障输出，引脚12）：当VDD引脚出现欠压或ITRIP引脚触发过流检测时，该引脚指示模块故障。需要外部上拉电阻。
3. NTC（热敏电阻，引脚15）：可直接访问热敏电阻，参考电压为VSS。连接到 +5V的外部上拉电阻可确保产生的电压能直接连接到微控制器。
4. ITRIP（过流检测功能，引脚13）：通过将ITRIP输入与电机电流反馈相连，实现过流检测功能。ITRIP比较器阈值典型值为0.47V，参考VSS地。输入噪声滤波器（典型值：tITRIPMIN = 530 ns）可防止驱动器检测到误过流事件。过流检测会在典型1000ns的关断传播延迟后使栅极驱动器的所有输出关断，故障清除时间设置为最小40µs。
5. VDD, VSS（低侧控制电源和参考，引脚11, 14）：VDD是控制电源，为输入逻辑和输出功率级提供电源。输入逻辑参考VSS地。欠压电路在电源电压至少达到典型值VDouy = 12.1V时使设备上电运行。当VDD电源电压低于VDOUY = 10.4V时，IC会关闭所有栅极驱动器的功率输出，防止外部功率开关在导通状态下出现极低的栅极电压，从而避免过度功耗。
6. VB(A, B)和VS(A, B)（高侧电源，引脚3 - 6）：VB到VS是高侧电源电压，高侧电路可跟随外部高侧功率器件发射极电压相对于VSS浮动。由于功耗低，浮动驱动器级由集成自举电路供电。欠压检测的上升阈值典型值为VBSUV+ = 12.1V，下降阈值为VBSUV = 10.4V。VS(U, V, W)对相对于VSS的 -50V瞬态负电压具有高鲁棒性，确保在恶劣条件下设计的稳定性。
7. NL（IGBT发射极，引脚17）：低侧IGBT发射极可用于电流测量。建议将与VSS引脚的连接尽可能短，以避免不必要的电感电压降。
8. NH（二极管阳极，引脚18）：集成二极管的低侧阳极相连。
9. P（正母线输入电压，引脚23）：高侧IGBT连接到母线电压，注意母线电压不超过450V。

四、电气参数

（一）绝对最大额定值

在VDD = 15V和TJ = 25°C（除非另有说明）的条件下，各部分的绝对最大额定值如下：

1. 模块部分：存储温度范围为 -40°C至125°C，隔离测试电压（RMS，f = 60Hz，t = 1min）为2000V，工作外壳温度范围为 -40°C至125°C。
2. 逆变器部分：最大阻断电压为600V，P - N之间的直流母线电源电压为450V，P - N之间的直流母线电源电压（浪涌）为500V，输出电流为 -15A至15A，最大峰值输出电流（TC = 25°C，小于1ms）为 -30A至30A，短路耐受时间（VDC ≤ 400V，TJ = 150°C）为5µs，每个IGBT的功耗为65.7W，工作结温范围为 -40°C至150°C，单IGBT结 - 壳热阻为1.90 K/W，单二极管结 - 壳热阻为3.48 K/W。
3. 控制部分：模块电源电压为 -1V至20V，高侧浮动电源电压（VB vs. VS）为 -1V至20V，输入电压（LIN, HIN, ITRIP）为 -1V至10V，开关频率为20kHz。

（二）推荐操作条件

所有电压均为相对于Vss电位的绝对电压（除非另有说明）。推荐的操作条件包括：P - N之间的直流母线电源电压为0至400V，高侧浮动电源电压（VB vs. VS）为13.5至18.5V，低侧电源电压为14.5至18.5V，控制电源变化为 -1至1V/µs，逻辑输入电压（LIN, HIN, ITRIP）为0至5V，VSS - N之间（包括浪涌）为 -5至5V。

（三）静态参数

在VDD = 15V和TJ = 25°C（除非另有说明）的条件下，静态参数包括集电极 - 发射极饱和电压、二极管正向电压、集电极 - 发射极泄漏电流、逻辑“1”和“0”输入电压、ITRIP正向阈值、ITRIP输入滞后、VDD和VBS电源欠压正向和负向阈值、输入钳位电压、静态VBx和VDD电源电流、输入偏置电流等。

（四）动态参数

同样在VDD = 15V和TJ = 25°C（除非另有说明）的条件下，动态参数包括导通传播延迟时间、导通上升时间、导通开关时间、反向恢复时间、关断传播延迟时间、关断下降时间、关断开关时间、短路传播延迟时间、输入滤波时间、故障清除时间、IGBT导通和关断能量、二极管恢复能量等。

（五）自举参数

在TJ = 25°C（除非另有说明）的条件下，自举参数包括重复峰值反向电压、自举二极管电阻、反向恢复时间、正向电压降等。

五、热敏电阻特性

热敏电阻在TNTC = 25°C时的电阻为85 kΩ，NTC的B常数（25/100）为4092 K。文档中还给出了热敏电阻电阻 - 温度曲线和表格（如图7所示），方便工程师根据温度来确定热敏电阻的阻值。

六、机械特性与额定值

（一）安装扭矩

M3螺丝和垫圈的安装扭矩为0.49至0.78 Nm。

（二）平整度

平整度范围为 -50至100 µm。

（三）重量

模块重量为6.84 g。

七、典型应用电路与开关时间定义

（一）典型应用电路

文档给出了典型应用电路（如图9所示），包括与微控制器的连接、过流保护信号、电流传感和温度监测等部分。

（二）开关时间定义

明确了开关时间的定义（如图10所示），包括导通和关断传播延迟时间、上升和下降时间、开关时间等，有助于工程师进行电路设计和性能评估。

八、总结

英飞凌的CIPOS™ IKCM15R60GD功率模块凭借其先进的技术、丰富的集成功能和良好的电气性能，为双相开关磁阻驱动应用提供了一个可靠的解决方案。电子工程师在设计相关电路时，可以根据其详细的参数和特性进行合理的选型和应用，以实现高效、稳定的系统设计。

大家在使用这款模块的过程中，有没有遇到什么特别的问题或者有什么独特的应用经验呢？欢迎在评论区分享交流。