智能功率模塊基本概念

2020-09-24

智能功率模塊（IPM）是一種功率半導體模塊，可將操作IGBT所需的所有電路集成到單個封裝中。它包括所需的驅動電路和保護功能，以及IGBT。這樣，可以通過可用的IGBT技術獲得最佳性能。過電流，過熱和欠壓檢測是IPM中常見的三種自保護功能。在本文中，我們將研究該技術的一些基本概念，并了解IPM如何從可用的IGBT器件中提取最佳性能。 

功率BJT，MOSFET和IGBT

功率BJT具有理想的導通狀態傳導性能；但是，它們是電流控制的設備，需要復雜的基礎驅動電路。由于功率MOSFET是壓控器件，我們需要更簡單的驅動電路。但是，功率MOSFET的主要挑戰在于其導通狀態電阻會隨著器件擊穿電壓的增加而增加。在額定電壓高于200 V的情況下，MOSFET的導通性能比BJT低。

IGBT結合了這兩個方面的優點，從而實現了高性能的功率開關：它具有BJT導通狀態特性，易于驅動MOSFET。IGBT的主要問題是寄生PNPN（晶閘管）結構，可能導致器件故障。圖1說明了這種寄生晶閘管的產生。

圖1.穿通（PT）IGBT的垂直橫截面和等效電路模型。

根據器件關閉時的電流密度和電壓變化率（dvdt），寄生晶閘管會導通并引起器件故障（閂鎖）。在這種情況下，IGBT電流不再受柵極電壓控制。閂鎖電流如圖2所示。

圖2.  鎖存電流。

請注意，體區電阻和BJT的增益是環境溫度的函數，并且該器件在高溫下更容易閂鎖。 

智能電源模塊（IPM）的基本概念

多年來，IGBT制造商已經改善了器件的物理性能，以實現更好的功率開關，這些功率開關能夠承受相對較大的電流密度而不會發生閂鎖故障。

一些制造商決定不優化器件性能，而是決定向可用的IGBT添加一些控制電路，以防止其閂鎖。該控制電路與IGBT集成在一起，是具有電流感應功能的反饋回路。當發生過流/短路情況時，它會監視設備的電流密度以關閉設備。這種反饋機制導致了一個“智能”電源開關，可以保護自己免受故障條件的影響。IPM的基本功能如圖3所示 

圖3. IPM的基本功能。 

電流檢測方法

IPM采用幾種不同的方式來檢測IGBT電流。一些IPM使IGBT電流流經外部并聯電阻，以產生與器件電流成比例的電壓。IC將該電壓與預設閾值進行比較，以檢測過流情況。圖4顯示了DIPIPM的簡化框圖，該DIPIPM基于并聯電流檢測電阻。在這種情況下，在通過IC的CIN引腳進行監視之前，會感測到RSHUNT兩端的電壓并對其進行低通濾波。

 

圖4. DIPIPM的簡化框圖。

過電流檢測的另一種技術稱為去飽和檢測，該方法基于監視IGBT集電極電壓。在正常操作期間，IGBT的集電極-發射極電壓非常低（通常為1 V至4 V）。但是，如果發生短路，則IGBT集電極-發射極電壓會增加。因此，該電壓可用于檢測過電流情況。

去飽和方法的缺點在于，它通常會在檢測短路情況時允許IGBT中的高功耗。 

IGBT的軟關斷

監視器件電流的反饋環路應該能夠迅速檢測出過電流情況。但是，希望在檢測到過電流之后緩慢關閉IGBT。實現這種軟關斷以抑制破壞性的浪涌電壓。上面提到的論文討論了當關斷260 A的短路集電極電流時，軟關斷可以將集電極到發射極的峰值電壓降低30％。 

其他共同特點

IPM除了上面討論的短路檢測外，還包括其他自保護功能。過熱和欠壓保護是IPM中常見的其中兩個功能。

欠壓功能監視IPM控制電路的電源是否超出容差范圍。當電源電壓超過預設閾值時，欠壓功能將關閉電源設備。這樣做是為了避免以可能導致災難性后果的有源（或線性）操作模式操作IGBT。

當芯片溫度超過閾值溫度時，過熱功能會關閉電源設備。 

打包

高級封裝是構建高性能IPM的關鍵，這些IPM需要在同一混合IC封裝中實現柵極驅動器，感測邏輯和功率半導體。與單片IC明顯不同的是，混合IC將單個組件（例如晶體管，單片IC，電阻器，電感器和電容器）放置在單個封裝中。這些組件被粘合到封裝內部的基板或印刷電路板（PCB）上。 

圖5. IPM所需的內部組件。 

IPM用于從高達100 A的額定電流到高達600 V的額定電壓。隨著功率水平的提高，封裝的散熱能力變得越來越重要。電源模塊的基板通常在150-200°C的溫度下運行。因此，基板應表現出高導熱性，以便我們可以將高功率組件緊密放置在緊湊的封裝內。這就是為什么新材料和先進的封裝技術會嚴重影響功率半導體模塊的尺寸，重量和性能的原因。

IPMs回顧

IPM IC內置有驅動電路，可通過可用的IGBT器件實現最佳性能。 

 

圖6. IPM和ASIPM的關鍵概念。

IPM具有多種自保護功能，例如過流，過熱和欠壓檢測。我們看到，現代IPM需要高性能的電源開關，優化的控制電路和先進的封裝技術。