IGBT/IPM/DIPIPM定義及應(yīng)用基礎(chǔ)（1）

本文轉(zhuǎn)載自： 三菱電機(jī)半導(dǎo)體

講座導(dǎo)語(yǔ)
DIPIPMTM是雙列直插型智能功率模塊的簡(jiǎn)稱，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPMTM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

1.2 IGBT/IPM/DIPIPMTM

定義及應(yīng)用基礎(chǔ)（1）

1.2.1 IGBT定義及主要特性
IGBT*1是絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）的英文縮寫(xiě)。作為一種典型的單極型和雙極型混合器件，從20世紀(jì)80年代后期投放市場(chǎng)以來(lái)，IGBT依靠高開(kāi)關(guān)速度?大關(guān)斷電流?高阻斷電壓等優(yōu)點(diǎn)在電力變換裝置中被廣泛應(yīng)用。以IGBT為基礎(chǔ)，許多新型功率器件如IGBT模塊?IPM*2?DIPIPMTM*3得到了快速發(fā)展。IGBT作為這些新型功率器件的核心，其在應(yīng)用過(guò)程中的要點(diǎn)和原則，同樣適用于這些新型功率器件。只有充分了解IGBT的特性和應(yīng)用要點(diǎn)才能更好地理解和使用由IGBT進(jìn)化而來(lái)的各種新型器件。

通常大家所提到的IGBT，一般指分立IGBT器件或IGBT模塊，這些器件的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理都是以IGBT芯片為基礎(chǔ)，一代IGBT芯片技術(shù)決定了一代IGBT模塊?IPM?DIPIPMTM等以IGBT為基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)器件的主要性能。

近20年來(lái)，IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展很快，技術(shù)改進(jìn)方案很多，每種技術(shù)改進(jìn)措施的實(shí)施，都會(huì)把IGBT芯片的性能向前推進(jìn)。IGBT芯片發(fā)展大體經(jīng)歷了平面柵PT*4型IGBT?溝槽柵PT型IGBT? 載流子存儲(chǔ)溝槽柵型CSTBTTM*5 LPT*6 IGBT等進(jìn)化過(guò)程，不同芯片具有不同的結(jié)構(gòu)?制造工藝和工作特性，IGBT芯片技術(shù)進(jìn)化方向總是圍繞著如何把“通態(tài)壓降-開(kāi)關(guān)時(shí)間”的矛盾處理到更為優(yōu)化的折中點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化IGBT芯片的開(kāi)關(guān)特性和導(dǎo)通特性使器件的功耗?噪聲?短路能力等關(guān)鍵性能指標(biāo)得到提升。因此在各類以IGBT為基礎(chǔ)的器件的應(yīng)用過(guò)程中，必須了解該器件所采用IGBT芯片的特性。

圖1給出了由IGBT進(jìn)化而來(lái)的各種相關(guān)功率器件的圖片。由圖1可以看出IGBT芯片是IGBT關(guān)聯(lián)器件的核心，把IGBT芯片單體通過(guò)封裝工藝制造出來(lái)的是IGBT分立器件；把多個(gè)IGBT芯片按照一定拓?fù)溥M(jìn)行電氣連接并進(jìn)行封裝就形成了IGBT模塊。如果IGBT模塊內(nèi)部同時(shí)包含了驅(qū)動(dòng)保護(hù)等相關(guān)電路，則稱之為IPM或DIPIPMTM模塊。就IGBT的芯片基本結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，IGBT芯片可以認(rèn)為是MOSFET*7柵結(jié)構(gòu)和雙極型晶體管相結(jié)合而進(jìn)化形成的混合型功率芯片。因此具有雙極型晶體管和功率MOSFET的雙重特點(diǎn)。

圖2是典型IGBT芯片結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為其等效電路。IGBT與其它半導(dǎo)體元器件一樣也是在硅、碳化硅、氮化鎵等半導(dǎo)體材料上通過(guò)半導(dǎo)體工藝如外延、光刻、刻蝕、離子注入和擴(kuò)散等工藝加工而成的一種多PN結(jié)半導(dǎo)體器件，因而也具有一般半導(dǎo)體器件所具有的特點(diǎn)，如存在耐壓、耐電流、耐溫要求；電氣參數(shù)存在溫度相關(guān)性以及寄生電感、寄生電容等寄生參數(shù)。

同時(shí)IGBT芯片又可以看做達(dá)林頓結(jié)構(gòu)MOSFET和晶體管組成的復(fù)合型芯片，又具有自身的特點(diǎn)，如門(mén)極采用MOSFET柵結(jié)構(gòu)，電壓驅(qū)動(dòng)?驅(qū)動(dòng)功率低?開(kāi)關(guān)速度快，但柵極易受浪涌電壓干擾?易發(fā)生過(guò)壓損壞；工作電流大，導(dǎo)通壓降低，但不允許長(zhǎng)時(shí)間短路等。在實(shí)際應(yīng)用中，需要特別留意寄生參數(shù)對(duì)IGBT工作帶來(lái)的影響，相比其它主要參數(shù)如耐溫、耐壓、額定電流，寄生參數(shù)由于絕對(duì)數(shù)值低、難以測(cè)試評(píng)價(jià)等因素容易被忽略而導(dǎo)致IGBT在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障。

通常認(rèn)為功率半導(dǎo)體器件為雙穩(wěn)態(tài)器件，工作狀態(tài)主要是通態(tài)和阻態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中功率半導(dǎo)體器件卻表現(xiàn)出更多方面的特性，除了通態(tài)和阻態(tài)外，還有開(kāi)通、關(guān)斷、觸發(fā)、恢復(fù)、熱和機(jī)械等特性。因此僅僅了解器件的通態(tài)、阻態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，要充分發(fā)揮器件的性能，需要更好地了解器件的開(kāi)通特性和關(guān)斷特性及這些特性與器件寄生參數(shù)之間的關(guān)系。

圖4是IGBT半橋開(kāi)關(guān)測(cè)試電路，采用電感作為開(kāi)關(guān)測(cè)試的負(fù)載，可以用來(lái)對(duì)IGBT的開(kāi)關(guān)進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖4中虛線部分為IGBT的寄生電容，這些寄生電容對(duì)于IGBT的開(kāi)關(guān)特性有直接影響。

圖5是IGBT的理想開(kāi)通波形，柵極驅(qū)動(dòng)電壓UG在t0時(shí)刻通過(guò)柵極電阻RG加到IGBT柵極，UGE開(kāi)始上升，向IGBT的柵射極電容CGE充電，當(dāng)UGE上升到IGBT開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT集電極電流Ic開(kāi)始隨著UGE上升而上升，同時(shí)續(xù)流二極管的電流開(kāi)始下降，續(xù)流二極管電流和IGBT電流之和等于輸出電流Io。在t1~t2期間,續(xù)流二極管的電流下降但仍處于正向偏置導(dǎo)通，這意味著直流母線電壓仍然加在IGBT的C和E兩端，IGBT輸出電流是Io的一部分，這期間IGBT的功率損耗較大。從t2時(shí)刻起，負(fù)載電流全部由IGBT承擔(dān)，此時(shí)二極管電流下降到零。

圖6是IGBT的實(shí)際開(kāi)通波形，考慮了二極管反向恢復(fù)和寄生電感的影響。當(dāng)IGBT電流Ic在t1時(shí)刻開(kāi)始上升時(shí)，寄生電感影響電流變化率，uCE下降引起寄生電容CGC(密勒電容)放電，該電流從柵極流向集電極，減少了向柵射極電容充電，從而使uGE上升率減少，導(dǎo)致集電極電流上升率減少。在t2時(shí)刻，二極管正向電流為零，負(fù)載電流在此過(guò)程中不發(fā)生改變，二極管反向恢復(fù)電流由IGBT承擔(dān)，此時(shí)IGBT電流超過(guò)輸出電流。在t3時(shí)刻，流過(guò)IGBT的電流等于輸出電流Io和二極管反向恢復(fù)峰值電流IRR之和，二極管開(kāi)始恢復(fù)反向阻斷能力，反向恢復(fù)電流開(kāi)始逐步減少。這一期間，IGBT和二極管都有能量損耗。t4時(shí)刻，由于寄生電感和寄生電容而引起振鈴現(xiàn)象。在t4~t5期間，IGBT的集電極電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

IGBT實(shí)際關(guān)斷波形見(jiàn)圖7，關(guān)斷開(kāi)始時(shí)柵極電壓減少，柵射極電容CGE放電，t1時(shí)刻?hào)艠O電流恰好使IGBT進(jìn)入臨界飽和，輸出電流Io全部由IGBT供給。t1時(shí)刻開(kāi)始uCE開(kāi)始緩慢上升。從t2時(shí)刻開(kāi)始，當(dāng)uCE增加到10V以后，密勒電容CGC的容量大大減小，明顯減少了從集電極到柵極的反饋電流，uGE向零下降，uCE迅速向直流母線電壓上升。t3時(shí)刻，IGBT集電極電壓達(dá)到直流母線電壓，輸出電流轉(zhuǎn)由續(xù)流二極管提供，完成關(guān)斷過(guò)程。

1.2.2 分立IGBT器件特性及應(yīng)用基礎(chǔ)
IGBT芯片的特性直接決定了IGBT器件的特性，同時(shí)又受到其它外圍驅(qū)動(dòng)參數(shù)的影響，對(duì)于分立IGBT的實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)是其中兩個(gè)最重要的技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)于器件的運(yùn)行乃至電力變換裝置的可靠性和壽命至關(guān)重要。

由于IGBT門(mén)極采用了MOSFET柵結(jié)構(gòu)，利用電壓驅(qū)動(dòng)，具有開(kāi)關(guān)速度快?頻率特性好的特點(diǎn)，另一方面電壓驅(qū)動(dòng)又使其門(mén)極易受到電壓干擾，特別是器件本身的寄生參數(shù)或線路中寄生參數(shù)導(dǎo)致的浪涌電壓都會(huì)對(duì)分立IGBT的運(yùn)行產(chǎn)生影響。同時(shí)分立IGBT作為功率器件，工作時(shí)需要承受高壓?大電流以盡可能提高電力轉(zhuǎn)換功率，轉(zhuǎn)換過(guò)程中功率損耗產(chǎn)生的熱量需要及時(shí)的傳遞到外部，以保證IGBT芯片的結(jié)溫不超過(guò)允許的上限，分立IGBT的散熱設(shè)計(jì)也是IGBT應(yīng)用過(guò)程中需要重點(diǎn)考慮的，散熱設(shè)計(jì)涉及到IGBT的損耗計(jì)算?IGBT外部散熱器設(shè)計(jì)?IGBT溫度評(píng)估?IGBT溫度保護(hù)等技術(shù)點(diǎn)。就驅(qū)動(dòng)而言，分立IGBT經(jīng)常采用高壓集成電路HVIC*8來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖8是分立IGBT的圖片符號(hào)?驅(qū)動(dòng)電路示意圖及散熱器結(jié)構(gòu)。

圖8的驅(qū)動(dòng)電路采用的是一片HVIC來(lái)驅(qū)動(dòng)上下橋臂IGBT，對(duì)于包含6只分立IGBT的全橋逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，需要3片HVIC完成全橋IGBT驅(qū)動(dòng)。與采用分立元器件搭建的驅(qū)動(dòng)電路相比，采用HVIC來(lái)驅(qū)動(dòng)，不再需要自己設(shè)計(jì)正負(fù)電源，也不再需要采用4路隔離電源來(lái)供電，給使用帶來(lái)了極大便利。同時(shí)采用HVIC作為分立IGBT驅(qū)動(dòng)的方案仍然需要用戶自己設(shè)計(jì)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)參數(shù)，如門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路?短路保護(hù)電路?自舉電源電路等。

由于分立IGBT驅(qū)動(dòng)方案需要同時(shí)設(shè)計(jì)多路驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，所以其驅(qū)動(dòng)電路相對(duì)復(fù)雜，另外在PCB*9設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)考慮多路走線，走線難度大，電路寄生參數(shù)復(fù)雜，且需要在設(shè)計(jì)及調(diào)試上花費(fèi)大量時(shí)間。由于IGBT工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，這些熱量需要通過(guò)散熱系統(tǒng)傳遞到空氣中，通常情況下，分立IGBT需要安裝單獨(dú)的散熱器進(jìn)行散熱，如圖8所示。在全橋逆變應(yīng)用中，一般6只IGBT會(huì)采用同一散熱器進(jìn)行散熱，這種散熱方式需要在IGBT焊接到PCB線路板時(shí)，嚴(yán)格控制6只IGBT散熱面處于同一平面，以保證每只IGBT散熱良好，不受機(jī)械應(yīng)力的影響，這種散熱方式會(huì)使IGBT安裝到PCB時(shí)生產(chǎn)工藝難度大，生產(chǎn)效率低，另外由于HVIC受限于耐壓及驅(qū)動(dòng)功率，只適合于中小功率的 IGBT驅(qū)動(dòng)，如電動(dòng)自行車?變頻洗衣機(jī)?變頻冰箱等。

*號(hào)術(shù)語(yǔ)列表：
*1: IGBT→絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）
*2: IPM→智能功率模塊（Intelligent Power Module）
*3: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；DIPIPMTM是三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。
*4: PT IGBT：穿通型IGBT( Punch Through IGBT)
*5: CSTBT IGBT→載流子存儲(chǔ)式溝槽柵型雙極晶體管(Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor)；CSTBTTM是三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。
*6: LPT IGBT：輕穿通型IGBT( Light Punch Through IGBT)
*7: MOSFET:→金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）
*8: HVIC→高壓集成電路（High Voltage Integrated Circuit）
*9: PCB→印刷線路板（Printed Circuit Board）

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2020年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列300名。截止2021年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營(yíng)收41914億日元（約合美元395億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無(wú)線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇