政策驱动家电核工业自动化行业能效变革


随着物联网的普及以及工业智能化的提速,智能设备数量在不断攀升,耗电总量也越来越高。比如家电方面,为了实现远程控制,需要长时间保持待机状态,将状态信息实时上传到手机客户端;比如工业自动化方面,为了提高生产效率,人机交互更顺畅,需要提高电机转速,增加显示屏的尺寸,这些都会带来功耗负担。因此在实际应用中,政府和行业机构对于家电产品和工业产品的能耗要求越来越严格,从技术的角度来看,就是要求功率转换的效率越来越高。


 
图 | 全球变频空调占比情况,信息源:罗姆调查数据


以全球年均出货量在1.5亿台左右的空调行业为例,各国对其能耗的限制日益严苛。2020年7月1日,中国实施了新能效标准GB21455-2019,要求空调产品效率达到80%以上。为了满足这些要求,现在的空调都是往变频方向转变,原来的定频空调基本已被市场淘汰。此外,新标准还新增了待机功耗要求,以制冷能力在4.5kW以下的机型为例,要求待机功耗从原来的3W降至1W以下。对于制造企业来说,如何在更短的时间内开发出更好、更多类型的产品,是目前面临的主要问题,它需要生产设计平台尽量地标准化和模块化,而对于功率器件来说,用IPM替代传统功率模块的趋势非常明显。


用IPM替代传统功率模块的优劣势分析


什么是IPM?IPM是英文Intelligent Power Module的缩写,翻译到中文就是智能功率模块。以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等优点在电力电子领域得到越来越广泛的应用。


 
图 | IPM与传统功率模块的区别


那么,它跟普通的功率模块到底有什么区别呢?普通功率模块是通过一些应用把需要用到的一些功率器件集合在一个封装里面,这对于设计来说,还需要外围能够匹配更合适的驱动,和大量的外围电路才能驱动功率模块。而对于IPM来说,它不仅仅把功率器件集成进去了,还把相应的驱动电路以及周边的保护电路全部集成到了模块里边。对于工程师来说,可以像控制逻辑器件一样来控制功率模块,非常方便。


 
图 | 用IPM替代传统功率模块的优缺点


我们以空调压缩机控制板为例,来对比一下普通功率模块和IPM的优劣情况。如图所示,左边蓝色边框内是以往的功率驱动板,它是把功率器件、驱动电路和电流检测保护电路分布在板子上,达到功率转换的一个电路。右边红色边框内是IPM的方案,我们可以非常直观地看到,对于节省空间和易于设计这两个方面来说,IPM占有很大的优势。但是,在某些性能指标上面,由于分离器件可以更灵活地对外围器件做调整,具有一定的优势。不过,随着新一代IPM性能的提升,调整电路的要求开始弱化,IPM适用的场景越来越多。


新一代IPM的特点是什么?


新一代IPM的主要性能体现在哪里呢?我们以罗姆近期推出的600V耐压IGBT IPM “BM6437x系列”为例,总结了IPM的三大特点。


特点一:噪声低且节能


 
图 | 罗姆新一代IPM产品噪声、功耗测试结果
(功率损耗与普通IPM产品同等,且噪声降低6dB以上)


其实低噪声和低功耗是一对矛盾体,罗姆半导体(上海)有限公司技术中心高级经理顾伟俊表示:“降噪不仅仅是通过一些工艺的改善,尤其是针对EMI降噪,它跟IPM模块里边的IGBT的开关速度有一个直接的关系,IGBT的开关速度越快,噪音就会越大,它跟损耗是相关联的,为了保证减少损耗,要求开关速度尽可能地快。要同时达到这两点,只能通过各个功率器件之间的完美匹配,通过驱动电路的阻抗匹配,通过各个器件之间的噪音的等级,包括我们IGBT的管子,包括快恢复管,包括其他的HVIC里边的逻辑电路的影响。把这些因素全部综合考虑,然后找到一个平衡点,才能起到一个降噪的过程,这也是罗姆新一代的IPM BM6437x系列所采用的策略。”


特点二:高精度温度监控


 
图 | 罗姆新一代IPM产品温度监控测试结果


在普通的IPM产品中虽然也有温度输出功能,在靠近主功率器件的HVIC上面,但不是关注的重点,所以温度输出的精度相对较差,一般在5%上下。但在IPM的实际应用过程中,温度监控可以体现整个系统是否能够安全、可靠地工作,温度输出的误差越大,必须考量的余量就越大,对于IPM的使用限制就会越多,有些客户为了保障产品性能的最大提高,会采用外置的热敏电阻来增加可靠的温度检测,这将额外地增加成本。


顾伟俊表示:“罗姆新一代IPM将温度输出的精度设计到与外置热敏电阻基本相同的2%的精度,在同样的应用中完全可以省略掉外置热敏电阻等外围电路,既能节约成本,又能加快开发速度。”


特点三:新增“产品识别功能”


 
图 | 罗姆新一代IPM产品新增“产品识别功能”


熟悉功率模块或系统开发的人知道,考虑到散热的问题,普通的IPM背面有一个很大的散热片,所以产品标签都是印在了IPM的背面。当IPM插上PCB板,试装完以后,我们将看不到实际的标签,所以无法通过光学的手段辨别出采用型号是否正确。


顾伟俊表示:“为了便于在线测试的时候不会产生误操作或者是混入其他的料号,罗姆根据客户的需求,在新一代的IPM开发的时候,增加了产品识别功能,通过阻抗测量仪能够区分不同的型号以及是否是其他厂商产品混入的状态,能够支持客户在线检测出料号是否正确,大大保障了生产的可靠性。”


IPM的普及程度如何?


分析完IPM的需求、优劣势以及新一代IPM的技术参数,我们再来聊一聊市场。
我们再以空调行业为例,目前在变频空调领域,80%~90%以上的机型全都使用了IPM,IPM基本上已经是发展的主流了。此外,现在空调的开发周期,国外一般是两年或者两年以上的周期,国内的话,开发周期非常短,基本上六个月以内必须要有产品上市,所以再用分离器件的话,连测试的周期都不能保证,IPM的应用已经不可避免。其实,现在不仅仅是空调行业,在通用工业伺服领域,7kW以内的产品也在大批量采用IPM。


顾伟俊表示:“最早期的时候,因为IPM价格可能稍微贵一点,所以分离器件用的还比较多,现在IPM价格并不是太大的障碍了,而对于实际生产来说,用分离器件不可避免地在生产制造过程中会有很多的品质问题,因为这么多器件要求保证稳定,对于生产保障要求非常高。但IPM基本上避免了这些问题,所以制造商现在对于IPM的接受程度已经很高了。”


结语


IPM大规模替代传统功率模块已成定局,而值得一提的是,在汽车电动化变革势不可挡的今天,就IPM车规化的进程与目前的瓶颈,顾伟俊告诉与非网,“目前市场上很少有能满足车企需要的IPM的产品应用,而对于生产厂家来说,最大的问题之一就是原来面向工控的产品如何能够满足车规级的要求。因为车厂对于功率器件的要求是非常严格的,包括性能,包括性能的保障,可靠性方面要进一步的保障,如何保证产品不坏,异常的时候如何维持正常的工作,这些问题都是以前工业级别的时候不需要讨论的问题,对于车规市场来说,是必须要解决的问题,所以IPM的开发也是针对于客户的要求不断地改善电路的一个过程,尤其是在保护和应用上面,如何达到车规级的要求,也是一个不断地增加电路复杂程度的过程。”