CIPOS™ Maxi IM818-SCC：三相电机驱动的理想选择

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高效、可靠的电机驱动系统至关重要。今天，我们就来深入了解一下英飞凌的 CIPOS™ Maxi IM818-SCC 功率模块，看看它有哪些独特的特性和优势。

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一、产品概述

CIPOS™ Maxi IM818 产品组为集成各种功率和控制组件提供了机会，能够提高系统的可靠性，优化 PCB 尺寸和系统成本。它主要用于控制三相交流电机和永磁电机，适用于变速驱动应用，如低功率电机驱动器（GPI、伺服驱动器）、泵、风扇驱动器以及 HVAC（加热、通风和空调）系统中的有源滤波器。

该产品特别适用于需要良好热性能、电气隔离、EMI 防护和过载保护的功率应用。它将带有 1200V TRENCHSTOP™ IGBT 和发射极控制二极管的三相逆变器与优化的 6 通道 SOI 栅极驱动器相结合，以实现出色的电气性能。

二、产品特性

1. 封装与隔离

采用完全隔离的双列直插式模制模块，具有良好的电气隔离性能，能够有效减少干扰。

2. 高性能 IGBT

配备 1200V TRENCHSTOP™ IGBT4，具有较低的导通损耗和较高的开关速度，能够提高系统效率。

3. 稳定的栅极驱动器

采用坚固的 1200V SOI 栅极驱动器技术，对瞬态和负电压具有稳定性，允许在 (V_{BS}=15V) 时信号传输的负 (V_S) 电位高达 -11V。

4. 集成功能

• 集成自举功能，简化了电路设计。
• 具有过流关断功能，能够在过流时及时保护系统。
• 内置 NTC 热敏电阻，用于温度监测。
• 所有通道均具有欠压锁定功能，确保系统在低电压时安全运行。
• 低侧发射极引脚可用于相电流监测（开放发射极）。
• 具备抗交叉导通功能，防止同一桥臂的两个开关同时导通。
• 在保护期间，所有 6 个开关均会关闭。
• 可编程故障清除时间和使能输入，增加了系统的灵活性。
• 引脚采用无铅镀层，符合 RoHS 标准。

三、潜在应用

该模块适用于多种应用场景，包括 HVAC 系统中的风扇驱动器和有源滤波器、泵以及低功率电机驱动器（GPI、伺服驱动器）等。

四、产品验证

根据 JEDEC47/20/22 的相关测试，该产品已通过工业应用的认证，具有较高的可靠性和稳定性。

五、详细参数

1. 绝对最大额定值

• 模块部分：存储温度范围为 -40°C 至 125°C，工作外壳温度为 -40°C 至 125°C，工作结温为 -40°C 至 150°C，隔离测试电压为 2500V（1min，RMS，f = 60Hz）。
• 逆变器部分：最大阻断电压为 1200V，P - N 直流母线供电电压为 900V（正常）和 1000V（浪涌），直流集电极电流在 (T_C = 25°C) 时为 ±8A，在 (T_C = 80°C) 时为 ±5A，峰值集电极电流在 (T_C = 25°C) 且 (tp < 1ms) 时为 ±10A，每个 IGBT 的功率耗散为 49.6W，短路耐受时间在 (V{DC} ≤ 800V) 且 (T_J = 150°C) 时为 10µs。
• 控制部分：高侧偏移电压为 1200V，自举二极管的重复峰值反向电压为 1200V，模块控制电源电压为 -1V 至 20V，高侧浮动电源电压（(V_B) 参考 (VS)）为 -1V 至 20V，输入电压（LIN、HIN、ITRIP、RFE）为 -1V 至 (V{DD} + 0.3V)。

2. 热特性

单个 IGBT 的结 - 壳热阻（高侧 V 相 IGBT）最大为 2.52K/W，单个二极管的结 - 壳热阻（高侧 V 相二极管）最大为 3.60K/W。

3. 推荐工作条件

• 直流母线供电电压（P - N）为 350V 至 900V，典型值为 600V。
• 低侧电源电压为 13.5V 至 18.5V，典型值为 15V。
• 高侧浮动电源电压（(V_B) 与 (V_S) 之间）为 12.5V 至 18.5V。
• 逻辑输入电压（LIN、HIN、ITRIP、RFE）为 0V 至 5V。
• PWM 载波频率最大为 20kHz。
• 外部死区时间（HIN 与 LIN 之间）最小为 0.5µs。
• (V_{SS} - N) 之间的电压（包括浪涌）为 -5V 至 5V。
• 最小输入脉冲宽度为 1µs。
• 控制电源变化为 -1V/µs 至 1V/µs。

4. 静态参数

• 逆变器部分：集电极 - 发射极饱和电压在 (I_C = 5A) 且 (T_J = 25°C) 时典型值为 2.0V，在 (TJ = 150°C) 时典型值为 2.5V；集电极 - 发射极泄漏电流在 (V{CE} = 1200V) 时最大为 1mA；二极管正向电压在 (I_F = 5A) 且 (T_J = 25°C) 时典型值为 1.9V，在 (T_J = 150°C) 时典型值为 1.9V。
• 控制部分：逻辑“1”输入电压（LIN、HIN）典型值为 1.9V 至 2.3V，逻辑“0”输入电压（LIN、HIN）典型值为 0.7V 至 0.9V；ITRIP 正向阈值典型值为 500mV，ITRIP 输入滞回典型值为 55mV；(V{DD}) 和 (V{BS}) 电源欠压正向阈值分别为 12.2V 和 11.2V，负向阈值分别为 11.2V 和 10.2V，欠压锁定滞回典型值为 1V；静态 (V{Bx}) 电源电流（仅 (V{Bx})）典型值为 175µA，静态 (V{DD}) 电源电流（仅 (V{DD})）典型值为 1mA；LIN、HIN 的输入偏置电流在 (V{IN} = 5V) 时典型值为 1mA，ITRIP 的输入偏置电流在 (V{ITRIP} = 5V) 时典型值为 30µA 至 100µA，RFE 的输入偏置电流在 (V{RFE} = 5V) 且 (V{ITRIP} = 0V) 时最大为 5µA；RFE 输出电压在 (I{RFE} = 10mA) 且 (V{ITRIP} = 1V) 时典型值为 0.4V；(V_{RFE}) 正向阈值典型值为 1.9V 至 2.3V，负向阈值典型值为 0.7V 至 0.9V；自举二极管正向电压在 (I_F = 0.3mA) 时典型值为 0.9V，自举二极管电阻在 (V_F = 4V) 至 (V_F = 5V) 之间时典型值为 120Ω。

5. 动态参数

• 逆变器部分：导通传播延迟时间典型值为 790ns，导通上升时间典型值为 25ns，导通开关时间典型值为 170ns，反向恢复时间典型值为 420ns，关断传播延迟时间典型值为 990ns，关断下降时间典型值为 150ns，关断开关时间典型值为 230ns，短路传播延迟时间典型值为 1100ns；IGBT 导通能量在 (V_{DC} = 600V) 且 (I_C = 5A) 时，(T_J = 25°C) 典型值为 0.4mJ，(TJ = 150°C) 典型值为 0.6mJ；IGBT 关断能量在 (V{DC} = 600V) 且 (I_C = 5A) 时，(T_J = 25°C) 典型值为 0.3mJ，(TJ = 150°C) 典型值为 0.5mJ；二极管恢复能量在 (V{DC} = 600V) 且 (I_C = 5A) 时，(T_J = 25°C) 典型值为 0.2mJ，(T_J = 150°C) 典型值为 0.3mJ。
• 控制部分：ITRIP 输入滤波时间典型值为 500ns，LIN、HIN 导通和关断的输入滤波时间典型值为 350ns，ITRIP 故障后的故障清除时间典型值为 1.1ms，ITRIP 到故障传播延迟典型值为 650ns 至 900ns，内部死区时间典型值为 300ns，所有通道的匹配传播延迟时间（导通和关断）最大为 130ns。

6. 热敏电阻特性

在 (T_{NTC} = 25°C) 时，热敏电阻阻值典型值为 85kΩ，NTC 的 B 常数（25/100）典型值为 4092K。

7. 机械特性和额定值

• 相比漏电起痕指数（CTI）为 600。
• M3 螺丝和垫圈的安装扭矩为 0.49Nm 至 0.78Nm。
• 背面曲率最大为 150µm。
• 重量典型值为 7.1g。

六、引脚配置与说明

1. 引脚分配

该模块共有 24 个引脚，每个引脚都有特定的功能，如 U 相高侧浮动 IC 电源偏移电压（VS(U)）、U 相高侧浮动 IC 电源电压（VB(U)）、U 相高侧栅极驱动器输入（HIN(U)）等。具体的引脚分配可参考数据表中的表格。

2. 引脚说明

• HIN (U, V, W) 和 LIN (U, V, W)：这些引脚为正逻辑，负责控制集成 IGBT。其施密特触发器输入阈值可确保与 3.3V 控制器输出的 LSTTL 和 CMOS 兼容。内部提供约 5kΩ 的下拉电阻，用于在电源启动时预偏置输入。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。不建议提供低于 1µs 的输入脉冲宽度。集成栅极驱动器还提供防直通功能，避免同一桥臂的两个栅极驱动器同时导通。此外，驱动器 IC 还提供典型值为 360ns 的最小死区时间插入，以减少外部功率开关的交叉导通。
• RFE：该引脚集可编程故障清除时间、故障输出和使能输入三种功能于一体。可编程故障清除时间可通过 RC 网络（外部上拉电阻和电容）进行调整，例如在 1MΩ 和 2nF 时典型值约为 1ms。故障输出在 (V_{DD}) 引脚欠压或 ITRIP 引脚触发过流检测时指示模块故障。微控制器可将该引脚拉低以禁用 IPM 功能，这是使能功能。
• VTH：该引脚可直接访问 NTC 热敏电阻，参考 (V_{SS})。连接到 +5V 的外部上拉电阻可确保所得电压可直接连接到微控制器。
• ITRIP：IM818 通过将 ITRIP 输入与 IGBT 集电极电流反馈相连，提供过流检测功能。ITRIP 比较器阈值（典型值 0.5V）参考 (V{SS}) 接地。输入噪声滤波器（(t{ITRIPMIN} = 典型值 500ns)）可防止驱动器检测到错误的过流事件。过流检测在典型的 1µs 关断传播延迟后会使栅极驱动器的所有输出关断。故障清除时间在 (R{R C I N}=1MΩ) 和 (C{R C I N}=2nF) 时设置为典型的 1.1ms。
• VDD 和 VSS：(V{DD}) 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 (V{SS}) 接地。欠压电路使设备在电源电压至少达到典型的 (V{DDUV+}=12.2V) 时才能启动。当 (V{DD}) 电源电压低于 (V_{DDUv}=11.2V) 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过低的栅极电压，从而避免过度功耗。
• VB (U, v, w) 和 Vs (U, v, w)：(VB) 到 (VS) 是高侧电源电压。高侧电路可相对于 (V{SS}) 跟随外部高侧功率器件发射极电压浮动。由于功耗较低，浮动驱动器级由集成自举电路供电。欠压检测的上升电源阈值典型值为 (V{BSUV*}=11.2V)，下降阈值为 (V{BSUV}=10.2V)。(VS (U, V, W)) 对相对于 (V{SS}) 的 -50V 瞬态负电压具有较高的鲁棒性，确保即使在恶劣条件下也能实现非常稳定的设计。
• NW, NV, NU：低侧发射极可用于每个相桥臂的电流测量。建议尽量缩短与 (V_{SS}) 引脚的连接，以避免不必要的电感电压降。
• W, V, U：这些引脚是电机 U、V、W 相的输入引脚。
• P：高侧 IGBT 连接到母线电压，注意母线电压不得超过 900V。

七、应用指南

1. 典型应用电路

在设计应用电路时，需要注意以下几点：

• 输入电路：为减少高速开关引起的输入信号噪声，应安装 (R{IN}) 和 (C{IN}) 滤波电路（100Ω，1nF），(C{IN}) 应尽可能靠近 (V{SS}) 引脚放置。
• Itrip 电路：为防止保护功能出错，(C{ITRIP}) 应尽可能靠近 Itrip 和 (V{SS}) 引脚放置。
• RFE 电路：
  • 上拉电阻（(R{RFE})）和下拉电容（(C{RFE})）：RFE 输出为开漏输出，该信号线应用适当的电阻 (R{RFE}) 上拉到 5V/3.3V 控制电源电压（(V{CTR})）的正极。故障清除时间可通过 (R{RFE}) 和 (C{RFE}) 的 RC 网络以及上拉电压进行调整。上拉电阻最大限制为 2MΩ，当 (V{CTR}) 高于 5V 时，(R{RFE}) 至少需要 200kΩ 以限制 IC 功耗。
  • RC 滤波器：建议将 RC 滤波器尽可能靠近控制器放置。
• VB - VS 电路：高侧浮动电源电压的电容应尽可能靠近 VB 和 VS 引脚放置。
• 缓冲电容器：IM818 与缓冲电容器（包括分流电阻）之间的布线应尽可能短。
• 分流电阻：应使用 SMD 型分流电阻以减少其杂散电感。
• 接地模式：接地模式应在分流电阻的一点处尽可能短地分开。

2. 性能图表

最大工作电流 (SOA) 图表只是基于该产品典型特性的一个示例，实际工作条件可能会导致其发生变化。

八、总结

CIP