功率模塊IPM、IGBT及車用功率器件

功率半導體器件在現(xiàn)代電力控制和驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。IGBT模塊和IPM模塊是其中兩個最為常見的器件類型。它們都可以用于控制大功率負載和驅(qū)動電機等應(yīng)用，但是它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能有所不同，那么IPM、IGBT模塊分別是什么意思？下面我們來詳細了解它們之間的不同點。

一、IPM模塊是什么意思？

IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）是一種功能強大的集成電路模塊，可以用于控制和驅(qū)動高功率電子設(shè)備，如交流電機驅(qū)動器、變頻器、逆變器等。它是一種高度集成的半導體器件，通常包括功率開關(guān)、驅(qū)動電路、保護電路和控制電路等多個功能模塊。

IPM模塊通常包括一個功率MOSFET、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或SiC（碳化硅）等開關(guān)器件，以及一個驅(qū)動電路，用于控制這些開關(guān)器件的導通和截止。此外，IPM模塊還通常集成有電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護和短路保護等功能，可以提供全面的保護措施，以保證高功率電子設(shè)備的安全和可靠性。

二、IGBT模塊是什么意思？

IGBT模塊（Insulated Gate Bipolar Transistor Module）是一種集成了多個IGBT芯片、驅(qū)動電路、保護電路等功能的模塊化電子元件。它是一種用于高功率電力電子設(shè)備中的半導體器件，常用于高壓、高電流的交流/直流變換器、逆變器和直流/直流變換器中。

IGBT是一種結(jié)合了MOSFET和BJT的特性的半導體器件。它具有低導通電阻和高開關(guān)速度的優(yōu)點，同時也具有BJT器件高電壓耐受性和電流承載能力強的特點。因此，IGBT器件被廣泛應(yīng)用于高功率、高頻率的電力電子設(shè)備中。IGBT模塊通常由多個IGBT芯片、驅(qū)動電路、保護電路、散熱器、連接器等組成。通過內(nèi)部的絕緣隔離結(jié)構(gòu)，IGBT芯片與外界隔離，以防止外界的干擾和電磁干擾。同時，模塊內(nèi)部的驅(qū)動電路和保護電路可以有效地控制和保護IGBT芯片，提高設(shè)備的可靠性和安全性。

三、IGBT模塊和IPM模塊有什么不同？

IGBT模塊和IPM模塊都是功率電子器件，但它們有以下幾點不同：

1、集成度不同：IGBT模塊只包含一個IGBT晶體管和一個驅(qū)動電路，而IPM模塊則集成了多個器件和電路模塊，具有更高的集成度。

2、功能不同：IGBT模塊只能實現(xiàn)單一的功率開關(guān)功能，而IPM模塊集成了多個功能模塊，如電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護和短路保護等，能夠提供全面的保護和控制功能。

3、應(yīng)用范圍不同：IGBT模塊通常用于單一功率開關(guān)控制的場合，如交流電機驅(qū)動器、變頻器、逆變器等；而IPM模塊通常用于多路功率開關(guān)控制的場合，如電機驅(qū)動器、UPS、電力變換器等。

4、可靠性不同：IPM模塊具有更高的可靠性，因為它集成了多個保護和控制模塊，能夠全面保護系統(tǒng)免受電壓過高、電流過大、過溫等異常情況的影響。

5、成本不同：IPM模塊由于集成度更高，功能更全面，因此相對成本也更高，而IGBT模塊相對較為簡單，成本相對較低。

總的來說，IPM模塊是一種更為高級的功率電子器件，相對于IGBT模塊具有更高的集成度、更多的功能和更高的可靠性，適用于更為復雜和高級的電力控制系統(tǒng)。而IGBT模塊則更為簡單和經(jīng)濟，適用于單一功率開關(guān)控制的場合。

為什么說碳化硅

是車用功率模塊的未來?

碳化硅的禁帶寬度約為硅基材料的3倍，臨界擊穿場強約為硅基材料的10倍，熱導率約是硅基材料的3倍，電子飽和漂移速率約是硅基材料的2倍。碳化硅材料的耐高壓、耐高溫、高頻特性相較于硅基器件能應(yīng)用于更嚴苛的工況，可顯著提高效率和功率密度，降低應(yīng)用端的成本、體積和重量。

圖1 各類半導體材料性能對比

根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2021-2027年，全球碳化硅功率器件市場規(guī)模將由10.9億美元增長到62.97億美元，年復合增長率為34%；其中電動車用碳化硅市場規(guī)模將由6.85億美元增長到49.86億美元，年復合增長率更是高達39.2%，而電動車（逆變器+OBC+DC/DC轉(zhuǎn)換器）是碳化硅最大的下游應(yīng)用，占比將由62.8%增長到79.2%，市場份額持續(xù)攀升。

圖2.Yole的市場分析

碳化硅在汽車行業(yè)的應(yīng)用趨勢

電動汽車行業(yè)發(fā)展至今，行業(yè)最關(guān)心的是續(xù)航里程。影響續(xù)航里程的因素有很多，包括電池容量、車身重量、電力系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化效率等。功率半導體是電能轉(zhuǎn)換的核心，碳化硅功率器件比硅基器件有低導通損耗、高開關(guān)頻率和高工作耐壓等優(yōu)勢，能獲得更高的系統(tǒng)電能轉(zhuǎn)換效率，且在使得同等電量情況下，比使用硅基功率器件獲得更多的續(xù)航里程。因此電動汽車對于碳化硅功率器件的應(yīng)用需求日益凸顯。在電動汽車中，碳化硅功率器件的應(yīng)用主要為兩個方向，一個用于電機驅(qū)動逆變器（電機控制器），另一個用于車載電源系統(tǒng)，主要包括：電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）、車載充電系統(tǒng)（OBC）、車載空調(diào)系統(tǒng)（PTC和空壓機）等方面。

車用碳化硅功率模塊

的產(chǎn)業(yè)化落地與技術(shù)邏輯

當前，全球碳化硅產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美、歐、日三足鼎立態(tài)勢，碳化硅材料七成以上來自美國公司，歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，日本則在碳化硅芯片、模塊和應(yīng)用開發(fā)方面占據(jù)領(lǐng)先優(yōu)勢。中國目前已具備完整的碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈，在材料制備和封測應(yīng)用等部分環(huán)節(jié)具有國際競爭力。目前排名在前幾位均為國外公司，國內(nèi)公司尚未形成一定市占率。而在新能源汽車領(lǐng)域，由于我國汽車電動化走在全球最前列，本土市場拉動正在成為國產(chǎn)半導體企業(yè)崛起的有利因素。

現(xiàn)在，全球碳化硅企業(yè)都在積極開拓汽車市場，主要應(yīng)用落地包括功率分立器件和功率模塊。其中，碳化硅芯片的優(yōu)良特性，需要通過封裝與電路系統(tǒng)實現(xiàn)功率的高效、高可靠連接，才能得到完美展現(xiàn)。經(jīng)過專業(yè)的設(shè)計和先進的封裝工藝制作出來的碳化硅MOSFET功率模塊，是目前電動汽車應(yīng)用的主流趨勢。

目前新的設(shè)計SiC模塊的設(shè)計方向是結(jié)構(gòu)緊湊更緊湊，通過采用雙面銀燒結(jié)和銅線鍵合技術(shù)，以及氮化硅高性能AMB陶瓷板、用于液冷型銅基PinFin板、多信號監(jiān)控的感應(yīng)端子（焊接、壓接兼容）設(shè)計，努力往低損耗、高阻斷電壓、低導通電阻、高電流密度、高可靠性等方向努力。通過好的設(shè)計和先進的工藝技術(shù)確保碳化硅MOSFET性能優(yōu)勢在設(shè)備中得到最大程度發(fā)揮。

圖5.碳化硅MOSFET封裝要求

更小的元胞尺寸、更低的比導通阻、更低的開關(guān)損耗、更好的柵氧保護是碳化硅MOSFET技術(shù)的主要發(fā)展趨勢，體現(xiàn)在應(yīng)用端上則是更好的性能和更高的可靠性。加之碳化硅器件的高功率密度、高結(jié)溫特性、高頻特性要求，也對現(xiàn)有封裝技術(shù)提出更高的要求，目前中國的功率模塊封裝創(chuàng)新主要朝著如下幾個方向在走：

●更先進的連接材料以及連接工藝，以承受更高的溫度變化

功率模塊中主要使用3種陶瓷覆銅板：AI2O3-DBC熱阻最高，但是制造成本最低；AlN-DBC熱阻最低，但韌性不好；Si3N4-AMB陶瓷材料熱阻居中，韌性極好，熱容參數(shù)也更出色，可靠性遠超AlN和AI2O3，使得模塊散熱能力、電流能力、功率密度均能大幅提升，非常適合汽車級的碳化硅模塊應(yīng)用。

●更短的連接路徑以及更先進的連接技術(shù)，以降低雜感來適應(yīng)器件高頻特性

銀燒結(jié)是目前碳化硅模塊領(lǐng)域最先進的焊接技術(shù)，可充分滿足汽車級功率模塊對高、低溫使用場景的嚴苛要求。相較于傳統(tǒng)錫焊技術(shù)，銀燒結(jié)可實現(xiàn)零空洞，低溫燒結(jié)高溫服役，焊接層厚度減少60-70％，適合高溫器件互連，電性能、熱性能均優(yōu)于錫焊料，電導率提高5-6倍，熱導率提高3-4倍。很多企業(yè)已經(jīng)嘗試將功率模塊內(nèi)部中的所有傳統(tǒng)焊料升級迭代為銀燒結(jié)工藝，包括芯片，電阻，傳感器等。

為進一步提升模塊電性能及可靠性，嘗試的方向是采用DTS+TCB（Die Top System + Thick Cu Bonding）技術(shù)，在常溫條件下通過超聲焊接將粗銅線與AMB基板、及芯片表面的覆銅片進行鍵合連接，實現(xiàn)彼此間的電氣互聯(lián)。相較鋁線鍵合，模塊壽命可提升3倍以上，且電流和導熱能力可大幅提升。

●更集成的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計以及電路拓撲，以進行更好的系統(tǒng)熱管理

為使模塊產(chǎn)品熱路徑設(shè)計更緊湊，促使逆變器系統(tǒng)集成設(shè)計更緊湊高效，進一步降低整體系統(tǒng)逆變器成本，通過封裝形式的改變，改善散熱性以及通流能力。采用多芯片并聯(lián)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，各并聯(lián)主回路和驅(qū)動回路參數(shù)基本一致，最大程度保證并聯(lián)芯片的均流性。模塊內(nèi)部封裝有溫度傳感器（PTC），且PTC安裝在靠近芯片的模塊中心位置，得到了一個緊密的熱耦合，可方便精確地對模塊溫度進行測量。