家用电器专用智能功率模块应用技术规范应用研究

刘媛 夏华 李世君 杜延春 许鹏 叶超

1.山东省计量检测中心 山东济南 250014；2.山东省社会公正计量行有限公司 山东济南 250014；3.山东省计量科学研究院 山东济南 250014

专用智能功率模块的核心器件为变频控制器，变频控制器主要用于空调、冰箱、彩电、洗衣机等家电等电器设备的频率控制，主要包括电源、控制单元、功率元件等基本组件及其配套电路。变频理论的发展和算法的进步提升了变频控制器和IPM模块的工作效率的性能要求[1]。

1 家用电器专用智能功率模块概述

家电配套的变频控制器造价较低、需求量较大，且比较容易受到市场供需关系变化的影响。我国半导体企业在国内的发展已经历经了许久的发展，产业规模达到了较为可观的水平，但从产品产量角度上讲，产品产量并未达到应有水平，第三方检测平台的缺失和变频控制器产品质量的缺失会导致家电生产企业大多不太信任国产器件的质量，更加重了我国相关器件的发展困境。

2 家用电器专用智能功率模块原理

无刷直流电机（BLDC）是一种功率性能较为优质、设备稳定性较高，能在许多领域中发挥智能化控制功率的效果。在家电领域中，BLDC能够体现出降低能耗、没有噪音、舒适性强等性能特点，能够广泛适用于电机型家用电器，满足智能化功率模块应用需求。

BLDC的转子吸附着许多永磁体，定子绕组根据星形接法连接电路，获取转子的位置条件，从而控制电机的转动。检测电机转子极性的策略主要有两类：第一类是将传感器安装在器械内部；另一种不需要位置传感器，仅利用反电动势估测法或者集成在微控制中的无传感器位置检测算法得到转子的位置信息[2]。

功率模块主要包括的具体功能有：电机的起动、停止与制动，接收位置及方向信号，控制功率模块功能的开启与关闭要根据接收速度指令和速度反馈信号来进行确认，相关工作人员需要通过功率控制模块调整转速，用以保护与显示家用电器的质量。

芯片的集成效果不同时，控制器功能会发生相应改变，从而影响其功率控制性能和应用环境。

（1）MCU、门极驱动模块、功率控制模块以及反馈电路模块都集成到一块芯片中。该方法的硬件设计与软件算法可以有效降低电机控制复杂度，较为符合风扇、电泵等功率较小的电器设备功率模块需求。

（2）集成门极驱动与功率控制模块，与不同MCU搭配，从而完成对控制电机的效果。操作人员可以设置与调整门极驱动电路的参数，将专用智能功率控制模块集成于芯片内部，不仅能简化电路设计，也能够提升电器设计的灵活性，通常的电器输出功率为100W。

（3）MCU与门极驱动电路集成会将功率模块外置，从而构建功率等级具备一定差异的系统，提升配置的便捷性，简化系统规模，可以广泛应用与高速吸尘器、电动工具等产品中。

智能功率模块（IPM）是变频控制器的功率模块使用率较高的一种开关器件，是由优选的门极驱动电路、保护电路以及高速、低功率的开关器件构成。

从IPM的内部功能机制可以看出，它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护等故障检测电路，并可将检测信号输出至控制器作处理[3]。

3 家用电器专用智能功率模块技术规范研究

结合变频控制器在家电中的应用，从性能、可靠性、能力等方面对IPM提出要求，具体内容如下所示。①外观质量。标志应完整、准确、清晰、耐久；表面无机械损伤；引脚无氧化、无锈迹、无污物、无变形、无折断。塑封表面的器件型号、生产批次、厂商（产地）等标识的印刷应自然且塑封，表面不得有磨痕。②外形尺寸。产品说明书需注明IPM安装孔、引脚、几何尺寸和封装尺寸、散热面平整度，IPM模块实物应符合说明书的规定值。③电性能。电性能测试项目主要包括：母线电压、控制电压、逻辑输入电压、PWM载波频率、电源欠压保护动作电压、过电流保护动作电压、温度输出及过温保护、错误循环供电电压及输出脉宽宽度、输出输入端漏电流、静态电流、开通关断延迟时间、IPM功耗。要求为符合IPM规格书最大值、最小值、标准值及测试条件。④绝缘强度。绝缘强度测试项目及要求：电气强度：IPM带电部件与散热基片间应能经受1800AC耐压试验；电气间隙及爬电距离：判定参见GB/T4706.1-2005测量方法按GB/T16935.1-2008。⑤静电放电。静电放电测试项目测试方法：HBM人体静电放电模式 IEC60749-26：2018；MM机器静电放电模式IEC60749-27：2006；CDM器件静电放电模式 IEC60749-28：2017。⑥电磁兼容。电磁兼容测试项目主要包括：连续骚扰电压、断续骚扰电压、连续骚扰功率、辐射发射、静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度、浪涌冲击抗扰度、电压暂降短时中断和电压变化抗扰度等，应符合相关国家标准。

4 结语

本研究提出了一种适用于家电变频控制器专用智能功率模块的应用技术规范，主要包括基本结构、性能要求、质量评价、安全措施等内容的实际要求，确定了变频控制器在家电行业应用的准入门槛，作为该产业产品的统一质量衡量尺度，降低相关企业的开发成，合理促进以智能模块功率为代表的半导体器件在家电行业的应用与发展，推动我国家电产品的技术水平的进步，促进我国家用电器行业的整体发展。