IPM如何從可用的IGBT器件中提取最佳性能?

智能功率模塊（IPM）是一種功率半導(dǎo)體模塊，可將操作IGBT所需的所有電路集成到一個(gè)封裝中。它包括所需的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)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(cè)是IPM中常見的三種自保護(hù)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(dǎo)通狀態(tài)傳導(dǎo)性能；但是，它們是電流控制的設(shè)備，需要復(fù)雜的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控器件，我們需要更簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。但是，功率MOSFET的主要挑戰(zhàn)在于其導(dǎo)通電阻隨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，與BJT相比，MOSFET的導(dǎo)電性能較差。

IGBT結(jié)合了這兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了高性能的功率開關(guān)：它具有BJT導(dǎo)通特性，可輕松驅(qū)動(dòng)MOSFET。IGBT的主要問(wèn)題是寄生PNPN（晶閘管）結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)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。圖片由意法半導(dǎo)體提供。

根據(jù)器件關(guān)閉時(shí)的電流密度和電壓變化率（dv/dt），寄生晶閘管會(huì)導(dǎo)通并導(dǎo)致器件故障（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(qǐng)注意，體區(qū)電阻和BJT的增益是環(huán)境溫度的函數(shù)，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(xiàn)更好的功率開關(guān)，從而能夠承受相對(duì)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(yīng)功能的反饋回路。當(dāng)發(fā)生過(guò)流/短路情況時(shí)，它會(huì)監(jiān)視設(shè)備的電流密度以關(guān)閉設(shè)備。這種反饋機(jī)制導(dǎo)致了一個(gè)“智能”電源開關(guān)，可以保護(hù)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(cè)方法

IPM采用多種不同的方式來(lái)檢測(cè)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(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，以檢測(cè)過(guò)電流情況。圖4顯示了DIPIPM的簡(jiǎn)化框圖，該DIPIPM基于并聯(lián)電流檢測(cè)電阻。在這種情況下，在通過(guò)IC的CIN引腳進(jìn)行監(jiān)視之前，會(huì)感測(cè)到RSHUNT兩端的電壓并對(duì)其進(jìn)行低通濾波。

圖4.DIPIPM的簡(jiǎn)化框圖。圖片由Powerex提供。

過(guò)電流檢測(cè)的另一種技術(shù)稱為去飽和檢測(cè)，該方法基于監(jiān)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(cè)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(cè)短路情況時(shí)允許IGBT中的高功耗。

IGBT的軟關(guān)斷

監(jiān)視器件電流的反饋環(huán)路應(yīng)能夠迅速檢測(cè)出過(guò)電流情況。但是，希望在檢測(cè)到過(guò)電流之后緩慢關(guān)閉IGBT。實(shí)現(xiàn)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(dāng)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％。

其他共同特征

IPM除了上面討論的短路檢測(cè)外，還包括其他自保護(hù)功能。過(guò)熱和欠壓保護(hù)是IPM中常見的其中兩個(gè)功能。

欠壓功能監(jiān)視IPM控制電路的電源是否超出容差范圍。當(dāng)電源電壓超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，欠壓功能將關(guān)閉電源設(shè)備。這樣做是為了避免以可能造成災(zāi)難性后果的有源（或線性）工作模式操作IGBT。

當(dāng)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(shè)備。

封裝

高級(jí)封裝是構(gòu)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(xiàn)柵極驅(qū)動(dòng)器，感測(cè)邏輯和功率半導(dǎo)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(nèi)部的基板或印刷電路板（PCB）上。

圖5.IPM所需的內(nèi)部組件。圖片由安森美半導(dǎo)體提供。

IPM用于從高達(dá)100 A的額定電流到高達(dá)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(lái)越重要。電源模塊的基板通常在150-200°C的溫度下運(yùn)行。因此，基板應(yīng)具有較高的導(dǎo)熱性，以便我們可以將高功率組件緊密地放置在緊湊的封裝內(nèi)。這就是為什么新材料和先進(jìn)封裝技術(shù)會(huì)顯著影響功率半導(dǎo)體模塊的尺寸，重量和性能的原因。

IPM回顧

IPM IC內(nèi)置有驅(qū)動(dòng)電路，可從可用的IGBT器件中獲得最佳性能。

圖6.IPM和ASIPM的關(guān)鍵概念。

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

原文標(biāo)題：利用BJT，MOSFET和IGBT的智能功率模塊

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