智能(néng)功率模块基本概念

2020-09-24

智能(néng)功率模块（IPM）是一种功率半导體(tǐ)模块，可(kě)将操作IGBT所需的所有(yǒu)電(diàn)路集成到单个封装中。它包括所需的驱动電(diàn)路和保护功能(néng)，以及IGBT。这样，可(kě)以通过可(kě)用(yòng)的IGBT技术获得最佳性能(néng)。过電(diàn)流，过热和欠压检测是IPM中常见的三种自保护功能(néng)。在本文(wén)中，我们将研究该技术的一些基本概念，并了解IPM如何从可(kě)用(yòng)的IGBT器件中提取最佳性能(néng)。 

功率BJT，MOSFET和IGBT

功率BJT具有(yǒu)理(lǐ)想的导通状态传导性能(néng)；但是，它们是電(diàn)流控制的设备，需要复杂的基础驱动電(diàn)路。由于功率MOSFET是压控器件，我们需要更简单的驱动電(diàn)路。但是，功率MOSFET的主要挑战在于其导通状态電(diàn)阻会随着器件击穿電(diàn)压的增加而增加。在额定電(diàn)压高于200 V的情况下，MOSFET的导通性能(néng)比BJT低。

IGBT结合了这两个方面的优点，从而实现了高性能(néng)的功率开关：它具有(yǒu)BJT导通状态特性，易于驱动MOSFET。IGBT的主要问题是寄生PNPN（晶闸管）结构，可(kě)能(néng)导致器件故障。图1说明了这种寄生晶闸管的产生。

图1.穿通（PT）IGBT的垂直横截面和等效電(diàn)路模型。

根据器件关闭时的電(diàn)流密度和電(diàn)压变化率（dvdt），寄生晶闸管会导通并引起器件故障（闩锁）。在这种情况下，IGBT電(diàn)流不再受栅极電(diàn)压控制。闩锁電(diàn)流如图2所示。

图2.  锁存電(diàn)流。

请注意，體(tǐ)區(qū)電(diàn)阻和BJT的增益是环境温度的函数，并且该器件在高温下更容易闩锁。 

智能(néng)電(diàn)源模块（IPM）的基本概念

多(duō)年来，IGBT制造商(shāng)已经改善了器件的物(wù)理(lǐ)性能(néng)，以实现更好的功率开关，这些功率开关能(néng)够承受相对较大的電(diàn)流密度而不会发生闩锁故障。

一些制造商(shāng)决定不优化器件性能(néng)，而是决定向可(kě)用(yòng)的IGBT添加一些控制電(diàn)路，以防止其闩锁。该控制電(diàn)路与IGBT集成在一起，是具有(yǒu)電(diàn)流感应功能(néng)的反馈回路。当发生过流/短路情况时，它会监视设备的電(diàn)流密度以关闭设备。这种反馈机制导致了一个“智能(néng)”電(diàn)源开关，可(kě)以保护自己免受故障条件的影响。IPM的基本功能(néng)如图3所示 

图3. IPM的基本功能(néng)。 

電(diàn)流检测方法

IPM采用(yòng)几种不同的方式来检测IGBT電(diàn)流。一些IPM使IGBT電(diàn)流流经外部并联電(diàn)阻，以产生与器件電(diàn)流成比例的電(diàn)压。IC将该電(diàn)压与预设阈值进行比较，以检测过流情况。图4显示了DIPIPM的简化框图，该DIPIPM基于并联電(diàn)流检测電(diàn)阻。在这种情况下，在通过IC的CIN引脚进行监视之前，会感测到RSHUNT两端的電(diàn)压并对其进行低通滤波。

 

图4. DIPIPM的简化框图。

过電(diàn)流检测的另一种技术称為(wèi)去饱和检测，该方法基于监视IGBT集電(diàn)极電(diàn)压。在正常操作期间，IGBT的集電(diàn)极-发射极電(diàn)压非常低（通常為(wèi)1 V至4 V）。但是，如果发生短路，则IGBT集電(diàn)极-发射极電(diàn)压会增加。因此，该電(diàn)压可(kě)用(yòng)于检测过電(diàn)流情况。

去饱和方法的缺点在于，它通常会在检测短路情况时允许IGBT中的高功耗。 

IGBT的软关断

监视器件電(diàn)流的反馈环路应该能(néng)够迅速检测出过電(diàn)流情况。但是，希望在检测到过電(diàn)流之后缓慢关闭IGBT。实现这种软关断以抑制破坏性的浪涌電(diàn)压。上面提到的论文(wén)讨论了当关断260 A的短路集電(diàn)极電(diàn)流时，软关断可(kě)以将集電(diàn)极到发射极的峰值電(diàn)压降低30％。 

其他(tā)共同特点

IPM除了上面讨论的短路检测外，还包括其他(tā)自保护功能(néng)。过热和欠压保护是IPM中常见的其中两个功能(néng)。

欠压功能(néng)监视IPM控制電(diàn)路的電(diàn)源是否超出容差范围。当電(diàn)源電(diàn)压超过预设阈值时，欠压功能(néng)将关闭電(diàn)源设备。这样做是為(wèi)了避免以可(kě)能(néng)导致灾难性后果的有(yǒu)源（或線(xiàn)性）操作模式操作IGBT。

当芯片温度超过阈值温度时，过热功能(néng)会关闭電(diàn)源设备。 

打包

高级封装是构建高性能(néng)IPM的关键，这些IPM需要在同一混合IC封装中实现栅极驱动器，感测逻辑和功率半导體(tǐ)。与单片IC明显不同的是，混合IC将单个组件（例如晶體(tǐ)管，单片IC，電(diàn)阻器，電(diàn)感器和電(diàn)容器）放置在单个封装中。这些组件被粘合到封装内部的基板或印刷電(diàn)路板（PCB）上。 

图5. IPM所需的内部组件。 

IPM用(yòng)于从高达100 A的额定電(diàn)流到高达600 V的额定電(diàn)压。随着功率水平的提高，封装的散热能(néng)力变得越来越重要。電(diàn)源模块的基板通常在150-200°C的温度下运行。因此，基板应表现出高导热性，以便我们可(kě)以将高功率组件紧密放置在紧凑的封装内。这就是為(wèi)什么新(xīn)材料和先进的封装技术会严重影响功率半导體(tǐ)模块的尺寸，重量和性能(néng)的原因。

IPMs回顾

IPM IC内置有(yǒu)驱动電(diàn)路，可(kě)通过可(kě)用(yòng)的IGBT器件实现最佳性能(néng)。 

 

图6. IPM和ASIPM的关键概念。

IPM具有(yǒu)多(duō)种自保护功能(néng)，例如过流，过热和欠压检测。我们看到，现代IPM需要高性能(néng)的電(diàn)源开关，优化的控制電(diàn)路和先进的封装技术。