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CIPOS Nano IPM的优化热布局

Infineon公司Pengwei Sun,Pei Jin 2019-06-05

本文讨论了使用CIPOS纳米半桥智能功率模块(IPM)在电机驱动中实现最佳热性能所需的PCB设计注意事项。我们提出了一种使用ANSYS Icepak软件进行热模拟以创建优化热布局的方法。实验结果表明,通过热像仪对电机温度进行捕获,可以得到了较好的仿真结果。本文帮助智能电源模块应用设计工程师和PCB布局工程师可以在最终产品中获得更好的系统散热设计。T4a电子头条

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热模拟T4a电子头条

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三相电机驱动系统需要三个半桥式IPMs。为了获得最佳的热性能,在PCB上放置三个半桥模块是电路设计人员感兴趣的问题。研究了四种不同的布局配置。我们对每种构型进行了热模拟。图1显示了这四种配置。在模拟中,我们对每个电源焊盘使用相同的铜面积,即1oz铜,120mm 2。为了简化模拟并排除其他热影响,我们忽略了外围组件。T4a电子头条

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图1.四种布局配置T4a电子头条

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 我们针对两种操作条件进行了模拟。对于轻载条件,我们假设每个CIPOS Nano IPM的功率损耗为0.3W,而对于满载条件,我们假设每个CIPOS Nano IPM的功耗为1W。表1显示了模拟结果。图2显示了轻载和满载模拟热图像。从模拟结果可以看出,在相同功耗下温升最小,方案2是最优布局。在轻载条件下,它比方案1中的常规布局冷却5ºC。在满载条件下,它比方案1冷却约10ºC。T4a电子头条

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图2.轻载和满载模拟结果T4a电子头条

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表1. CIPOS Nano热模拟结果 T4a电子头条

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实验验证T4a电子头条

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热模拟结果表明,三个半桥CIPOS Nano IPM的PCB布局对热性能有一定的影响。必须确认这一发现才能为客户提供优化PCB设计的指导。我们制作了两种不同的PCB布局,即方案1和方案2,并在相同的操作条件下进行了测试。结果证实了模拟的结果。图3显示了常规方案1的PCB布局和方案2中的最优布局。T4a电子头条

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图3.方案1和方案2的PCB布局T4a电子头条

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电机驱动测试条件如下:开关频率6 kHz、二相不连续SVPWM、直流母线电压300V、环境温度25ºC、轻负载工作0.5ARMs和115W和满载运行1ARMs和230W。图4显示了轻载热成像和满载热成像。热成像证明方案2比方案1具有更好的性能:在轻载和满载时,方案2分别为5ºC和8ºC冷却器。T4a电子头条

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图4.轻载和满载热成像T4a电子头条

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结论T4a电子头条

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在本文中,我们提出了几种布局方案,以确定在使用三个半桥式CIPOS  Nano IPM 时哪一个可以提供最佳的热性能。通过模拟和实验证明,在相同的铜面积和相同的功率下,方案2被证明是具有最低结温的最佳选择。此外,如果在不同设计中需要相同的结温,则方案2可以承受更高的损耗或使用更小的PCB面积。此外,选项2提供了一个非常适合需要电机驱动板成形应用的圆形布局,以便更好地嵌入电机外壳中。T4a电子头条