IR의 μ IPMTM 제품군은 혁신적인 패키징 기술을 이용해서 다른 경쟁 솔루션 대비 풋프린트를 최고 60%까지 줄일 수 있으며 출력 전류 용량과 시스템 효율도 향상시킬 수 있다. 시스템 디자이너들은 사용 상의 편리성, 향상된 열 성능, 전체적인 시스템 크기 축소를 특징으로 하는 μ IPMTM 제품을 이용해서 경제성과 성능이 좀더 향상된 모터 제어 솔루션을 달성할 수 있다.

전 세계적으로 전력 수준이 750 W 미만인 2억 대 이상의 모터가 이용되고 있으므로 전자 제어 가변 속도 솔루션을 채택함으로써 상당한 에너지를 절약할 수 있다. 실제로 오늘날 생산되는 총 전기 에너지 중에서 55%가 다양한 크기, 형태, 효율 수준의 모터를 구동하는 데 소비되고 있다. 가변 속도 드라이브는 부하의 속도를 변화시키는 방식으로 에너지 비용을 최고 70%까지 절약할 수 있으므로 팬/펌프에 적용되는 새로운 에너지 효율 규격들이 전자 제어 모터를 채택할 것을 요구하고 있다.
인터내셔날 렉티파이어(International Rectifier, IR)는 IGBT 분야에서 전압 범위가 600 V부터 1200 V에 이르는 다양한 유형의 디바이스 제품을 제공하므로, 수 분의 일의 마력에서부터 30 kW 이상에 달하는 고성능 인버터의 전력 요구를 충족할 수 있다. 하지만 이보다 낮은 수준의 모터 구동 전력 애플리케이션(200 W 미만)인 경우와 모터를 대부분의 시간 동안에 총 부하 전력의 수 분의 일로 동작하는 경우에는 IGBT와 비교해서 FredFet이 효율 측면에서 더 유리하다. 또한 어떠한 프리휠링 역병렬 다이오드를 필요로 하지 않으므로 더욱 더 경제성 뛰어난 패키징 솔루션을 제공한다.
IR의 μIPM 제품군은 엔지니어들이 고객의 요구와 규제 기관의 규격을 충족하는 제품을 더 간소하고 편리하고 효율적으로 설계하고 출시할 수 있도록 한다.



30~200 W 인버터 모터 드라이브 시장에 이용하기 위한 기존의 IPM 솔루션은 비교적 비효율적이고 부피가 큰 구조물을 필요로 하며 만족할 만한 열 성능을 달성하기 위해서 외부적인 히트싱크를 이용해야 한다. 이 기법은 모터 컨트롤러를 모터 시스템 내부에 완벽하게 통합하는 것이 번거롭고 비용을 증가시킬 수 있으므로 폭넓게 사용되지 못하고 있다.
이 시장 분야에 이용할 수 있도록 IR이 내놓은 대안 솔루션(특허 출원)은 PCB 구리 트레이스를 이용해서 모듈로부터 열을 소산시키므로 패키지 디자인을 소형화할 수 있으므로 비용을 절약할 수 있을 뿐 아니라, 애플리케이션에 따라서는 외부의 히트싱크를 제거할 수 있다.
IR의 μIPM 디바이스 제품군은 효율이 뛰어나고 극히 콤팩트하며 고도로 통합적인 QFN 솔루션을 제공하므로 최대 200 W에 이르는 팬(난방 및 환기) 및 펌프(물 순환)를 설계할 때 최근의 엄격한 에너지 규격을 충족하는 향상된 에너지 절약 솔루션을 구현할 수 있다. μIPM 제품군은 또한 경쟁사 솔루션과 비교해서 크기를 획기적으로 소형화함으로써 기존에 널리 이용되고 있는 3상 모터 제어 전력 IC와 비교해서 크기가 최고 60%까지 소형화되었다.
QFN과 유사한 패키지로 제공되는 μIPM 제품군은 일련의 고도로 통합적인 3상 또는 단일 위상(하프 브리지) 모터 제어 회로 솔루션을 포함한다. 가변 주파수 구동에 적합하도록 설계되었으며 견고성과 효율이 뛰어난 고전압 FredFet MOSFET 스위치와 IR의 향상된 HV 드라이버 IC를 채택한 μIPM 제품군은 DC 정격이 1 A부터 10 A에 이르고 전압이 250~500 V에 이르는 디바이스 제품들을 제공한다.
크기가 12×12×0.9 mm인 μIPM 제품은 현재 시장에 나와 있는 제품 중에서 가장 크기가 작은 IPM 제품이다. 현재 나와 있는 주요 패키지 솔루션은, 스루홀 애플리케이션은 리드프레임 기반 single-in-line이나 gull-wing 납 리드프레임 기반 SOP28 또는 이와 유사한 패키지 형태이다.
디자이너는 끊임없이 부품 비용을 낮추고, 크기를 소형화하고, 전체적인 무게를 낮추도록 요구를 받고 있다. 따라서 총 풋프린트를 최고 60%까지 줄일 수 있다는 것은 매우 유리한 이점이다.
gull-wing 납 및 DIP 패키지는 다이-대-PCB 열 소산이 저조하며 열을 소산시키기 위해서 이용할 수 있는 방법이 외부적인 히트싱크를 이용하는 것밖에 없으므로 비용을 증가시키며 진동이나 기타 기계적 스트레스를 일으킬 수 있다는 문제점이 있다.
IR의 μIPM PQFN은 업계 최초로 완벽하게 통합된 인버터 솔루션으로서 POL(point-of-load)이나 VRM 애플리케이션에 널리 이용되고 있는 모듈 솔루션과 유사한 방식으로 PCB를 히트싱크로 이용하고 있다. 그러면서도 업계 최초로 저전압 제품으로만 한정적이지 않다(그림 2).




POL이나 VRM QFN 기반 패키지와 마찬가지로, μIPM의 전력 반도체(500 V FredFet)와 HVIC 다이를 노출된 리드프레임으로 본딩하고 PCB에 납땜한다. 하지만 크기를 매우 소형화하고 PCB를 통해서 열을 소산시켜야 하므로 모터 드라이브 디자인으로 최대의 성능을 달성할 수 있도록 하기 위해서는 몇 가지 과제를 해결해야 한다.
대체적으로 IPM의 전류 용량은 DC 버스 전압, 주위 온도, 스위칭 주파수(이들 요소들은 높으면 높을수록 손실이 높아진다), 변조 방식(3상 대 2상), 위상 전압의 dV/dt, FET 특성(RDSON, IRec 등)에 따라서 결정된다.
μIPM 제품군과 같은 표면실장 솔루션의 경우에는 PCB 디자인에 따라서, 특히 구리 두께, 구리 패드 면적, 층수, 그리고 허용 가능한 최대 PCB 온도에 따라서 전류 용량이 달라질 수 있다. 다시 말해 전력 반도체는 실제로는 최대 접합부 온도보다는 최대 PCB 온도가 더 중요하다는 것이다.
PCB 구리 두께를 높임으로써 전반적인 열 저항(junction to ambient)을 낮출 수 있으며, 그럼으로써 결과적으로 PCB 온도를 낮출 수 있다. 온도를 낮춤으로써 더 높은 전류 용량이 가능해질 수 있다. 그림 3의 그래프에서는 PCB 구리 두께를 1온스에서 2온스로 높임으로써 전류 용량에 직접적으로 영향을 미친다는 것을 보여주고 있다. ΔTCA가 높을수록 출력 전류 용량이 높아진다. 또한 3상 변조 방식과 비교해서 2상 변조 방식을 이용할 때 출력 전류 용량이 높아진다는 것을 알 수 있다.
마찬가지로 스위칭 주파수를 낮출수록 스위칭 손실이 낮아짐으로써 더 높은 출력 전류를 가능하게 한다.
또 다른 방식으로서 낮은 비용으로 μIPM의 성능을 더욱 더 향상시킬 수 있는데, 그것은 바로 열 전도성 트레이스에 솔더 스트림을 이용하거나 또는 구리 와이어/점퍼를 이용하는 것이다. 다른 기존의 패키지들은 이와 같은 간단한 방법으로 전류 용량을 크게 향상시킬 수 없다.
기존의 전통적인 패키지를 이용하는 IPM 솔루션과 비교했을 때 μIPM 디바이스는 동일한 애플리케이션 및 부하 조건이라고 했을 때 향상된 전류 용량과 더 높은 효율을 달성할 수 있다. 1온스 PCB를 이용하고 있으며 320 V DC 버스, 2상 변조 방식, 100 mA 및 15 kHz로 동작하는 팬 컨트롤러 예에서 볼 수 있듯이, PCB를 통해서 열을 소산시킬 수 있음으로써 경쟁 제품과 비교했을 때 즉각적으로 매우 유리한 이점을 제공함을 알 수 있다.


그림 4에서는 실온일 때 기존의 패키지 형식을 이용한 경쟁 디바이스가 IRSM636-015MB보다 34.8 ℃ 더 뜨겁다는 것을 알 수 있다. 또한 경쟁 디바이스는 전력 IC(SOI)의 중앙 부위에서 핫스팟이 발생하는 데 반해 IRSM636-015MB는 제어 IC 다이로부터 떨어져서 하이-사이드 공통 드레인 부위에서 가장 온도가 뜨겁다는 것을 알 수 있다.
좀더 까다로운 부하 조건일 때는 현재 출시되어 있는 대부분의 기존 제품들이 μIPM의 온도 및 열 소산 능력과 비교했을 때 좀더 심각한 한계를 드러낸다는 것을 알 수 있다(그림 5).

결론
IR의 μIPM 제품군은 혁신적인 패키징 솔루션을 채택함으로써 전통적인 패키지 형식의 다른 저전력 모터 드라이브 솔루션과 비교해서 출력 전류 용량과 시스템 효율 측면에서 경쟁 우위를 제공한다. μIPM 제품군은 사용하기 편리하고, 향상된 열 성능을 달성하고, 전체적인 시스템 크기를 줄일 수 있도록 하므로 시스템 디자이너나 시스템 통합 업체들이 가전기기 및 산업용 애플리케이션에 이용하기 위해서 더욱 더 낮은 비용으로 더욱 더 향상된 성능의 모터 제어 솔루션을 구현할 수 있도록 한다.