3.4.DIPIPM™ 的PCB設(shè)計
講座導(dǎo)語
DIPIPM™是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM™的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。
上節(jié)回顧
3.4.2
DIPIPM™的PCB設(shè)計推薦布線和不良（NG）布線舉例
通常DIPIPM™在功率變換裝置中起逆變作用，主要功能是把來自母線的直流電通過IGBT等功率器件的有序開關(guān)逆變成電壓、頻率可調(diào)的交流電供驅(qū)動負(fù)載使用。其工作的主要特點是高溫、高壓、大電流、開關(guān)速度快。DIPIPM™內(nèi)部既有IGBT等功率器件，又有用于驅(qū)動的HVIC、LVIC，因而又是一種典型的復(fù)合器件，內(nèi)部既有強(qiáng)電又有弱電，既有高溫工作器件又有低溫工作器件，在DIPIPM™的PCB布線中必須考慮這些不同的器件對于布線的不同要求及它們之間的兼容性。
良好的布線有助于提高DIPIPM™的安全性、穩(wěn)定性及壽命，降低PCB控制板的噪聲水平。為了更好地理解良好的布線與NG（不良）布線的區(qū)別，本節(jié)將對主電路地線設(shè)計、吸收電容的位置、控制電源地線設(shè)計、自舉電源設(shè)計、PWM控制信號走線，短路（SC）保護(hù)的推薦布線及NG（不良）布線進(jìn)行介紹。
主電路地線設(shè)計舉例
圖4｜主電路地線設(shè)計
上圖4給出了DIPIPM™主電路地線的推薦走線和不良走線例，其中VN是由主電路地線寄生電感導(dǎo)致的噪聲，在實際布線中，需要將主電路地線設(shè)計得最短，以降低噪聲VN。
吸收電容的位置
圖5｜吸收電容的位置
上圖5給出了用于吸收母線浪涌電壓的吸收電容的推薦位置。實際PCB布線中，如果吸收電容的位置被安排在位置（1），由于吸收電容距離DIPIPM™較遠(yuǎn)，存在母線寄生電感，使吸收電容對DIPIPM™的P-N間浪涌吸收能力下降；如果吸收電容位置在（2）的位置，由于吸收電容和引線電感產(chǎn)生的充放電電流將流過旁路電阻，在旁路電路上產(chǎn)生壓降及噪聲，可能導(dǎo)致DIPIPM™誤保護(hù)；位置（3）是推薦的吸收電容的位置，該位置既考慮了吸收效果，又避免了在旁路電阻上產(chǎn)生噪聲。
控制電源地線設(shè)計
圖6｜控制電源地線設(shè)計
上圖6給出了DIPIPM™控制電源地線的推薦走線和不良走線例，其中VN是由于主電路地線和控制電源地線部分重合導(dǎo)致的噪聲，在實際布線中，需要將控制電源地線與主電路地線的重合部分設(shè)計得最短，控制電源地線盡可能地靠近旁路電阻的端子，通過單點方式與主電路地線連接以降低噪聲。
自舉電源設(shè)計
圖7｜自舉電源設(shè)計
上圖7給出了DIPIPM™自舉電源地線的推薦走線和不良走線例，需要特別指出的是，由于DIPIPM™上橋臂三路15V電源采用了自舉方式進(jìn)行供電，其自舉15V電源的地同時也是DIPIPM™電流輸出端子U、V、W，因而自舉電源電路屬于強(qiáng)電，在PCB布線中，需要將自舉電路作為強(qiáng)電對待，保證與弱電的足夠電氣距離。U、V、W端子的輸出線路在DIPIPM™工作時需要流過大電流，其走線上的寄生電感會在U、V、W輸出線路上產(chǎn)生噪聲，這就要求自舉15V電源的地線走線盡可能靠近模塊端子，以減小與U、V、W輸出走線的重合，降低自舉15V電源上的噪聲。對于諸如SLIMDIP™系列的DIPIPM™，由于自舉電源的地線集成在了模塊內(nèi)部，因此不再需要PCB上的自舉15V電源地線走線，也不需要考慮圖7所示的自舉電源布線問題。
PWM控制信號走線
圖8｜PWM控制信號走線
DIPIPM™工作時需要輸入6路PWM控制信號，這6路PWM控制信號為弱電，可以與單片機(jī)的輸出管腳直接連接，PWM控制信號通常為5V或3.3V，這個信號容易受到噪聲的干擾，在PCB布線時，需要特別注意對PWM控制信號走線的保護(hù)，不要把PWM控制信號布線與強(qiáng)電布線距離太近，或與強(qiáng)電信號發(fā)生交叉，如上圖8所示。
短路（SC）保護(hù)相關(guān)布線
圖9｜短路（SC）保護(hù)部分設(shè)計
DIPIPM™具有短路（SC）保護(hù)功能，在輸出發(fā)生短路時，可以及時地關(guān)閉IGBT來保護(hù)DIPIPM™模塊。短路（SC）保護(hù)電路的布線需要盡可能地靠近旁路電阻的端子以避免干擾的產(chǎn)生。如圖9所示，如果紅顏色的短路（SC）保護(hù)電路布線距離旁路電阻端子太遠(yuǎn)，會在短路保護(hù)檢測管腳Cin引入噪聲，可能導(dǎo)致短路保護(hù)的誤動作。
3.4.3
單個PCB上有多個DIPIPM™時的PCB設(shè)計要點
目前，越來越多的DIPIPM™被應(yīng)用于空調(diào)變頻壓縮機(jī)驅(qū)動、伺服、直流風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動等逆變器，以節(jié)省能源。對于某些應(yīng)用，需要將多個DIPIPM™設(shè)計在同一PCB板上，以減小逆變器的尺寸和降低逆變器的成本。與單個PCB上有1個DIPIPM™相比，單個PCB上有多個DIPIPM™，在PCB布局和噪聲抑制方面要困難得多。本節(jié)將介紹在單個PCB板上設(shè)計多個DIPIPM™時的布線注意事項，并給出典型布線案例。
與單個PCB上只有一個DIPIPM™相比，多DIPIPM™集成到1個PCB板上，可以減小控制器的體積，從而降低成本，與此同時，在PCB相關(guān)布線時，不同的DIPIPM™之間在工作時不可避免地相互影響，導(dǎo)致PCB布線難度加大。在進(jìn)行多DIPIPM™布線時，首先需要了解各個DIPIPM™的不同規(guī)格及在電路中的不同功能，根據(jù)規(guī)格和功能進(jìn)行總體布局。如1個大電流的DIPIPM™與1個小電流的DIPIPM™搭配在一起，布線時應(yīng)優(yōu)先考慮大電流的DIPIPM™相關(guān)布線；如果兩個電流規(guī)格完全一樣的DIPIPM™共用1個PCB板，設(shè)計時需要考慮二者的布線對稱；如果3個以上的DIPIPM™共用1個PCB板，則需要考慮如何把DIPIPM™根據(jù)電流大小或功能進(jìn)行分組布線。
多DIPIPM™共用1個PCB板的另1個布線難點是DIPIPM™的地線設(shè)計，多DIPIPM™可能導(dǎo)致在PCB上存在多個地線環(huán)路，地線環(huán)路特別是功率地線的環(huán)路容易導(dǎo)致噪聲增加，使DIPIPM™的工作穩(wěn)定性下降。通常建議每個DIPIPM™的控制地分別與自身的強(qiáng)電地采用單點接地，再通過在不同的DIPIPM™地線環(huán)路中增加0歐電阻或小電感，減小地線環(huán)路間的相互影響。下圖10、圖11、圖12分別給出了1個大電流的DIPIPM™搭配一個小電流DIPIPM™、2個大電流的DIPIPM™搭配、3個以上DIPIPM™搭配的PCB典型走線布局。
典型布局1
圖10｜典型布局1
該布局的優(yōu)點：共用母線電容、15V電源和DSP芯片，減少了PCB面積，成本較低。
常見應(yīng)用：1個大電流DIPIPM™和一個小電流DIPIPM™應(yīng)用，如空調(diào)壓機(jī)驅(qū)動+風(fēng)機(jī)驅(qū)動。
典型布局2
圖11｜典型布局2
該布局的優(yōu)點：母線電容分為2部分，共用15V電源和DSP芯片以及部分母線電容，減少PCB面積；
常見應(yīng)用：2個大電流DIPIPM™應(yīng)用，如3相PFC+3相逆變、伺服驅(qū)動器等。
典型布局3
圖12｜典型布局3
該布局的優(yōu)點：采用各自獨立的母線電容，母線電壓更穩(wěn)定。共用15V電源和DSP芯片，減少PCB面積。
常見應(yīng)用：3個以上DIPIPM™應(yīng)用，如伺服、EV A/C（電動汽車空調(diào)）等。
本講總結(jié)
本講主要介紹了DIPIPM™的典型PCB布線設(shè)計要點。給出了推薦的DIPIPM™ PCB布線及不良的DIPIPM™ PCB布線例，并分享3個典型多個DIPIPM™的PCB設(shè)計典型布局。
主要術(shù)語說明
1.DIPIPM™、SLIMDIP™及DIPIPM+™均為三菱電機(jī)株式會社注冊商標(biāo)。
2.DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）。
3.PCB→印刷線路板（Printed Circuit Board）。
4.DSP→數(shù)字信號處理器（Digital Signal Process）。
5.PFC→功率因數(shù)校正（Power Factor Correction）。
主要參考文獻(xiàn)
[1] Mitsubishi Electric,“SLIMDIP Series Application note”
[2] Mitsubishi Electric,“Super mini DIPIPM Ver.6 Series Application note”
[3] Mitsubishi Electric,“Mini DIPIPM with BSD Series Application note”
[4] Mitsubishi Electric,“1200V Large DIPIPM Ver.6 Series Application note”