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(gè)封裝中。它包括所需的驅動(dòng)電路和保護功能，以及IGBT。這樣，可以通過(guò)可用的IGBT技術(shù)獲得最佳性能。過(guò)電流，過(guò)熱和欠壓檢測是IPM中常見(jiàn)的三種自保護功能。在本文中，我們將研究該技術(shù)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(tài)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(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控器件，我們需要更簡(jiǎn)單的驅動(dòng)電路。但是，功率MOSFET的主要挑戰在于其導通狀態(tài)電阻會(huì )隨著(zhù)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(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現了高性能的功率開(kāi)關(guān)：它具有BJT導通狀態(tài)特性，易于驅動(dòng)MOSFET。IGBT的主要問(wèn)題是寄生PNPN（晶閘管）結構，可能導致器件故障。圖1說(shuō)明了這種寄生晶閘管的產(chǎn)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(guān)閉時(shí)的電流密度和電壓變化率（dvdt），寄生晶閘管會(huì )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(huán)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(lái)，IGBT制造商已經(jīng)改善了器件的物理性能，以實(shí)現更好的功率開(kāi)關(guān)，這些功率開(kāi)關(guān)能夠承受相對較大的電流密度而不會(huì )發(fā)生閂鎖故障。

一些制造商決定不優(yōu)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(fā)生過(guò)流/短路情況時(shí)，它會(huì )監視設備的電流密度以關(guān)閉設備。這種反饋機制導致了一個(gè)“智能”電源開(kāi)關(guān)，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(lái)檢測IGBT電流。一些IPM使IGBT電流流經(jīng)外部并聯(lián)電阻，以產(chǎn)生與器件電流成比例的電壓。IC將該電壓與預設閾值進(jìn)行比較，以檢測過(guò)流情況。圖4顯示了DIPIPM的簡(jiǎn)化框圖，該DIPIPM基于并聯(lián)電流檢測電阻。在這種情況下，在通過(guò)IC的CIN引腳進(jìn)行監視之前，會(huì )感測到RSHUNT兩端的電壓并對其進(jìn)行低通濾波。

 

圖4. DIPIPM的簡(jiǎn)化框圖。

過(guò)電流檢測的另一種技術(shù)稱(chēng)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(fā)射極電壓非常低（通常為1 V至4 V）。但是，如果發(fā)生短路，則IGBT集電極-發(fā)射極電壓會(huì )增加。因此，該電壓可用于檢測過(guò)電流情況。

去飽和方法的缺點(diǎn)在于，它通常會(huì )在檢測短路情況時(shí)允許IGBT中的高功耗。 

IGBT的軟關(guān)斷

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

其他共同特點(diǎn)

IPM除了上面討論的短路檢測外，還包括其他自保護功能。過(guò)熱和欠壓保護是IPM中常見(jiàn)的其中兩個(gè)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(guò)預設閾值時(shí)，欠壓功能將關(guān)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(xiàn)性）操作模式操作IGBT。

當芯片溫度超過(guò)閾值溫度時(shí)，過(guò)熱功能會(huì )關(guān)閉電源設備。 

打包

高級封裝是構建高性能IPM的關(guān)鍵，這些IPM需要在同一混合IC封裝中實(shí)現柵極驅動(dòng)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(gè)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(gè)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(zhù)功率水平的提高，封裝的散熱能力變得越來(lái)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(jìn)的封裝技術(shù)會(huì )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(dòng)電路，可通過(guò)可用的IGBT器件實(shí)現最佳性能。 

 

圖6. IPM和ASIPM的關(guān)鍵概念。

IPM具有多種自保護功能，例如過(guò)流，過(guò)熱和欠壓檢測。我們看到，現代IPM需要高性能的電源開(kāi)關(guān)，優(yōu)化的控制電路和先進(jìn)的封裝技術(shù)。