3.4DIPIPM 的PCB設(shè)計(jì)

講座導(dǎo)語(yǔ)

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡(jiǎn)稱(chēng)，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車(chē)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。

3.4.2

DIPIPM的PCB設(shè)計(jì)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(lái)自母線的直流電通過(guò)IGBT等功率器件的有序開(kāi)關(guān)逆變成電壓、頻率可調(diào)的交流電供驅(qū)動(dòng)負(fù)載使用。其工作的主要特點(diǎn)是高溫、高壓、大電流、開(kāi)關(guān)速度快。DIPIPM內(nèi)部既有IGBT等功率器件，又有用于驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)主電路地線設(shè)計(jì)、吸收電容的位置、控制電源地線設(shè)計(jì)、自舉電源設(shè)計(jì)、PWM控制信號(hào)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(jì)舉例

圖4｜主電路地線設(shè)計(jì)

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(shí)際布線中，需要將主電路地線設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(guò)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(jì)

圖6｜控制電源地線設(shè)計(jì)

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(shí)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(jì)得最短，控制電源地線盡可能地靠近旁路電阻的端子，通過(guò)單點(diǎn)方式與主電路地線連接以降低噪聲。

自舉電源設(shè)計(jì)

圖7｜自舉電源設(shè)計(jì)

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(shí)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(duì)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(shí)需要流過(guò)大電流，其走線上的寄生電感會(huì)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(duì)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(wèn)題。

PWM控制信號(hào)走線

圖8｜PWM控制信號(hào)走線

DIPIPM工作時(shí)需要輸入6路PWM控制信號(hào)，這6路PWM控制信號(hào)為弱電，可以與單片機(jī)的輸出管腳直接連接，PWM控制信號(hào)通常為5V或3.3V，這個(gè)信號(hào)容易受到噪聲的干擾，在PCB布線時(shí)，需要特別注意對(duì)PWM控制信號(hào)走線的保護(hù)，不要把PWM控制信號(hào)布線與強(qiáng)電布線距離太近，或與強(qiáng)電信號(hào)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(jì)

DIPIPM具有短路（SC）保護(hù)功能，在輸出發(fā)生短路時(shí)，可以及時(shí)地關(guān)閉IGBT來(lái)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(huì)在短路保護(hù)檢測(cè)管腳Cin引入噪聲，可能導(dǎo)致短路保護(hù)的誤動(dòng)作。

3.4.3

單個(gè)PCB上有多個(gè)DIPIPM時(shí)的PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

目前，越來(lái)越多的DIPIPM被應(yīng)用于空調(diào)變頻壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服、直流風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)等逆變器，以節(jié)省能源。對(duì)于某些應(yīng)用，需要將多個(gè)DIPIPM設(shè)計(jì)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(gè)PCB上有1個(gè)DIPIPM相比，單個(gè)PCB上有多個(gè)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(gè)PCB板上設(shè)計(jì)多個(gè)DIPIPM時(shí)的布線注意事項(xiàng)，并給出典型布線案例。

與單個(gè)PCB上只有一個(gè)DIPIPM相比，多DIPIPM集成到1個(gè)PCB板上，可以減小控制器的體積，從而降低成本，與此同時(shí)，在PCB相關(guān)布線時(shí)，不同的DIPIPM之間在工作時(shí)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(shí)，首先需要了解各個(gè)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(gè)大電流的DIPIPM與1個(gè)小電流的DIPIPM搭配在一起，布線時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮大電流的DIPIPM相關(guān)布線；如果兩個(gè)電流規(guī)格完全一樣的DIPIPM共用1個(gè)PCB板，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮二者的布線對(duì)稱(chēng)；如果3個(gè)以上的DIPIPM共用1個(gè)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(gè)PCB板的另1個(gè)布線難點(diǎn)是DIPIPM的地線設(shè)計(jì)，多DIPIPM可能導(dǎo)致在PCB上存在多個(gè)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(gè)DIPIPM的控制地分別與自身的強(qiáng)電地采用單點(diǎn)接地，再通過(guò)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(gè)大電流的DIPIPM搭配一個(gè)小電流DIPIPM、2個(gè)大電流的DIPIPM搭配、3個(gè)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(diǎn)：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(jiàn)應(yīng)用：1個(gè)大電流DIPIPM和一個(gè)小電流DIPIPM應(yīng)用，如空調(diào)壓機(jī)驅(qū)動(dòng)+風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

典型布局2

圖11｜典型布局2

該布局的優(yōu)點(diǎn)：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(jiàn)應(yīng)用：2個(gè)大電流DIPIPM應(yīng)用，如3相PFC+3相逆變、伺服驅(qū)動(dòng)器等。

典型布局3

圖12｜典型布局3

該布局的優(yōu)點(diǎn)：采用各自獨(dú)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(jiàn)應(yīng)用：3個(gè)以上DIPIPM應(yīng)用，如伺服、EV A/C（電動(dòng)汽車(chē)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(jì)要點(diǎn)。給出了推薦的DIPIPM PCB布線及不良的DIPIPM PCB布線例，并分享3個(gè)典型多個(gè)DIPIPM的PCB設(shè)計(jì)典型布局。

主要術(shù)語(yǔ)說(shuō)明

DIPIPM、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。

DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）。

PCB→印刷線路板（Printed Circuit Board）。

DSP→數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Process）。

PFC→功率因數(shù)校正（Power Factor Correction）。

審核編輯：湯梓紅