IPM如何从可用的IGBT器件中获得最佳性能？

　　智能功率模块 （IPM） 是一种功率半导体模块，它将运行 IGBT 所需的所有威廉希尔官方网站 集成到单个封装中。它包括所需的驱动威廉希尔官方网站 和保护功能，以及IGBT。通过这种方式，可以从现有的IGBT技术中获得最佳性能。过流、过热和欠压检测是IPM中常见的三种自我保护功能。在本文中，我们将介绍该技术的一些基本概念，并了解IPM如何从可用的IGBT器件中获得最佳性能。
　　功率 BJT、MOSFET 和 IGBT
　　功率BJT具有理想的导通状态传导性能;然而，它们是电流控制器件，需要复杂的基极驱动威廉希尔官方网站 。由于功率MOSFET是电压控制器件，我们需要更简单的驱动威廉希尔官方网站 。然而，功率MOSFET的主要挑战是其导通电阻随着器件击穿电压的增加而增加。在额定电压高于 200 V 时，MOSFET 的传导性能低于 BJT。
　　IGBT结合了这两个领域的优点，实现了高性能电源开关：它提供了MOSFET的轻松驱动和BJT的导通状态特性。IGBT的主要问题是寄生PNPN（晶闸管）结构可能导致器件故障。图1说明了该寄生晶闸管的创建过程。
　　
　　图1. 直通 （PT） IGBT 的垂直横截面和等效威廉希尔官方网站 模型。图片由意法半导体提供。
　　根据电流密度和器件关断时的电压变化率（dvdt），寄生晶闸管可能会导通并导致器件故障（闩锁）。在这种情况下，IGBT电流不再受栅极电压控制。闩锁电流如图2所示。
　　
　　图2.闩锁电流。图片由意法半导体提供。
　　请注意，BJT的体区电阻和增益是环境温度的函数，器件在高温下更容易发生闩锁。
　　智能功率模块 （IPM） 的基本概念
　　多年来，IGBT制造商改进了器件物理特性，以实现更好的功率开关，这些开关能够承受相对较大的电流密度，而不会发生闩锁故障。
　　一些制造商没有优化器件性能，而是决定在可用的IGBT中添加一些控制威廉希尔官方网站 ，以防止其闩锁。该控制威廉希尔官方网站 与IGBT集成，是一个具有电流检测功能的反馈回路。它监控器件的电流密度，以便在发生过流/短路情况时关断器件。这种反馈机制导致一个“智能”电源开关，可以保护自己免受故障条件的影响。IPM 的这一基本功能如图 3 所示。
　　
　　图3.IPM 的基本功能。图片由Wiley InterScience提供。
　　电流检测方法
　　IPM采用几种不同的方法来检测IGBT电流。一些IPM将IGBT电流通过外部分流电阻器，以产生与器件电流成比例的电压。IC将该电压与预设阈值进行比较，以检测过流情况。图4显示了基于分流电流检测电阻的DIPIPM的简化框图。在这种情况下，RSHUNT两端的电压在被IC的CIN引脚监控之前被感测并经过低通滤波。
　　
　　图4.DIPIPM 的简化框图。图片由Powerex提供。
　　另一种过流检测技术称为去饱和检测，它基于监测IGBT集电极电压。正常工作期间，IGBT的集电极-发射极电压非常低（典型值为1 V至4 V）。但是，在发生短路时，IGBT集电极-发射极电压会增加。因此，该电压可用于检测过流情况。
　　去饱和法的一个缺点是，在检测短路情况时，它通常允许IGBT中的高耗散。
　　IGBT的软关断
　　监控器件电流的反馈环路应该能够快速检测过流情况。但是，在检测到过电流后，需要缓慢关断IGBT。实施这种软关断是为了抑制破坏性浪涌电压。上面提到的论文讨论了在关闭260 A的短路集电极电流时，软关断可以将集电极至发射极的峰值电压降低30%。
　　其他常见功能
　　除上述短路检测外，IPM 还包括其他自我保护功能。过热和欠压保护是IPM中常见的两种功能。
　　欠压功能监控IPM控制威廉希尔官方网站 的电源是否超出公差条件。当电源电压超过预设阈值时，欠压功能关断功率器件。这样做是为了避免IGBT在有源（或线性）工作模式下工作，这可能是灾难性的。
　　当芯片温度超过阈值温度时，过温功能关闭功率器件。
　　包装
　　先进封装是构建高性能IPM的关键，这些IPM需要在同一混合IC封装中实现栅极驱动器、检测逻辑和功率半导体。与单片IC明显不同，混合IC将晶体管、单片IC、电阻器、电感器和电容器等单个元件封装在一个封装中。这些元件粘合到封装内的基板或印刷威廉希尔官方网站 板 （PCB） 上。
　　
　　图5.IPM 所需的内部组件。图片由安森美半导体提供。
　　IPM 用于从高达 100 A 的额定电流中高达 600 V 的额定电压。随着功率水平的提高，封装的散热能力变得越来越重要。功率模块的基板通常在150-200°C的温度下工作。 因此，基板应具有高导热性，以便我们可以将高功率元件放置在紧凑的封装中。这就是为什么新材料和先进封装技术可以显著影响功率半导体模块的尺寸、重量和性能。