家电小型化是终端用户的重要需求，同时，为了实现碳中和，许多国家和地区开始实施严格的能效指标。为了提高系统能效，家电领域的许多半导体器件需要实现变频和更为先进的控制模式。分立电子元件方案需要足够的空间，但这将导致整个系统的体积庞大。由于需要在家用电器有限的空间内集成更多的电子元件，专家们提出许多不同的建议和策略，以实现家用电器内部电子元件的高度集成化。同时，如何协调系统的电子元件、机械设计、制成成本也是一个挑战。

        为了满足小型化需求，一种可行的解决方案是将多个功率器件和控制器件集成到一个模块中。这种高度集成化的模块有着分立电子元件方案难以媲美的优势：模块集成度高，可以降低电控板的面积和设计难度；电控板的面积减小，BOM表物料减少，原料和制程成本降低；通过优化热分布和热路径，模块散热能力出众。

        智能功率模块（IPM）是一种集成了功率器件、二极管和IC来驱动电机的封装结构，同时还提供保护功能。要实现正常的逆变器拓扑，至少需要7个分立器件。IPM可以将这些器件集成到一个模块中，已经成为大多数逆变器类型系统的关键组件。随着能效要求和电磁干扰要求标准的提高，有源功率因数校正（PFC）电路已经成为家用电器的标准组件。目前，美垦集成PFC功能的IPM模块已经经过了十年以上的市场验证，可以有效地减小电控板的面积。随着封装技术的发展，集成度更高的模块被设计开发出来，可以进一步减小电控板的面积。

        分体式空调的外机包括两个转动装置：一台压缩机和一台风机，需要两个三相IPM驱动。此外，整流电路和PFC电路也需要用到功率器件。这些高电压大电流器件对功率模块的设计和可靠性有着严格的要求。电控板90%以上的故障都是由这些模块引起的。通过优化设计和严格的出厂测试，可以很好地控制模块的质量。然而，采用传统的直接连接铜(DBC)架构进行集成将会遇到很大的问题。这是因为DBC衬底的线间距和线宽非常大，难以实现高集成度，即使实现了高度集成，模块的尺寸也将非常大，另外，在DBC基板上粘贴无源器件是非常困难的。对于中小型器件应用，绝缘金属基板(IMS)体系结构是更好的选择。该基板的电路蚀刻工艺与普通PCB类似，最小线宽可小于0.15mm，非常适合提高集成度。无源器件也可以很容易地粘贴。在靠近模具的关键位置粘贴电容可以有效地缓解电磁干扰。

        美垦采用IMS架构，开发了一种集成了空调大部分外机功率模块的IPM模块。该IPM可实现整流、功率因数校正、压缩机驱动和风机驱动等功能。其基本规格为600V/15A。除了IGBT、FRD等功率器件外，该模块还包含栅极电阻、滤波电容等无源器件，共包含65个器件。

        由于采用了紧凑的IMS结构，美垦模块的尺寸只有76 * 30.2 * 5.5 mm。我们在市场上找到了一款3in 1 IPM(整流器+ PFC +单逆变器)做对比，这个模块的尺寸为85 * 34 * 6.45 mm，且不包含任何无源器件。该模块通过了JESD47I标准的所有测试，包括H3TRB(高温高湿反偏测试，在85 ℃和85%的湿度下持续运行1000小时)。

        对于功率半导体而言，集成度提高之后的的最大挑战来自于散热。通过热仿真和不同器件功耗差异来优化该模块的器件布局和热阻。另一方面，空调压缩机制冷剂管路内嵌在外置散热器中，可以利用低温制冷剂散热。该设计充分挖掘了空调独特系统的优点，在不增加成本的前提下，可增强制冷效果。该模块安装在空调上，在工作环境温度55 ℃，系统功率1150 W条件下，内置NTC监控到工作中模块的内部温度仅为69.5 ℃。

        美垦高集成封装模块尺寸较小，同时可以简化电控板设计，因此使电控板从传统的分立方案转向小型化。与传统电控板相比，高集成模块电控板的面积减少了50%，对这个系统的小型化作出了巨大贡献。需要特别强调的是，在对模块和电控板进行测试的过程中，EMS和EMI测试均合格，且该电控板可以在85 ℃和85%湿度下连续运行1000小时以上。

        随着系统复杂度的增加，越来越多的器件需要被用到。例如三电平拓扑已经用于大功率电器，所需要的器件数量是传统两电平拓扑的两倍。然而，由于存在机械应力导致的基板翘曲问题，单个模块的尺寸被严格限制。因此，为了在集成度上更进一步，我们必须采用较小的芯片来进行封装。在相同的电流下，SIC二极管所需的面积仅为硅基二极管的一半，而且SIC基二极管的反向恢复特性很好。在同样的封装体系下，我们对比了Si型IGBT、超结MOSFET和SIC MOSFET三种IPM的功耗，并在空调上进行了实验，以保证实验结果基于具体应用上。实验结果显示，在压缩机工作频率为42 Hz时，SIC IPM的实际功耗比Si IGBT IPM的实际功耗低35%。

        另一种减小芯片面积的方法是使用SOC技术。由于IPM模块的发热问题，SOC很难应用到功率半导体领域。在空调系统中，风机逆变器的功率很小，运行时的电流仅在0.8 A左右。风机逆变器的6个电源开关和驱动器可以嵌入到单个SOI衬底中，结合SOI和SIP技术，可以进一步地减少单个封装的体积。

        家电的小型化需要高集成度的功率半导体器件。通过合理的热设计，一个高度集成化的功率半导体模块也可以具备优良的散热和机械能力，可以进一步地提升家电的性能、可靠性和用户体验。

        美垦开发的这一款高度集成化的IPM模块，集成了整流器、PFC、压缩机逆变器和风机逆变器。这种高度集成化的模块可以将电控板的面积减小50%。通过在恶劣的高温高湿环境下运行1000 小时，验证了该模块和电控板的可靠性。

（撰文：苏宇泉 博士）