关于智能功率模块





IPM(智能功率模块，Intelligent Power Modules)是为满足应用及市场需求，IGBT芯片为主体，将这种芯片及其门极驱动、控制和过流、过压、过热、短路、欠压锁定等多种保护与故障检测电路混合集成于一体的大功率器件。模块结构适合于工业化、标准化生产，简化应用设计，提高系统性能与可靠性，在各种电力变换中起重要作用，正逐渐成为功率器件的主流产品。

IGBT芯片技术动向

　　IGBT是IPM的关键器件，决定着IPM发展的优劣。IGBT为功率MOS和BJT构成的复合型功率器件，具有通态电压低，电流密度大，开关速度快、驱动电路简单的特点。国际上各大半导体厂商先后投入巨资，采用微米或亚微米工艺技术，研发高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠、低成本的IGBT。产品发展到第三代，表1示出其代表特征，第一代以低损耗为特点，通态电压为3V，下降时间为0.45��s，开关速度低，有擎柱效应；第二代为高速开关型，下降时间比第一代降低约1/2，电流容量为8～400A；研制成功的第三代IGBT以更低损耗，更高开关速度，耐高压为特征。研究各种结构改善IGBT的电特性，非穿通型NPT-IGBT、沟槽栅型U-IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT是近年发展较快的产品。

　　IGBT采用四层结构，在n－长基区无n+缓冲层的IGBT称为NPT型，而有n－缓冲层的称其为穿通型PT结构，两者制作工艺大体相同，但工艺参数有明显差别。NPT主要特点在硅片减薄的超薄晶片技术方面，减薄后增加高能P+离子注入，形成透明集电极发射区。采用高能离子注入可精确控制P+集电极发射区的掺杂，使注入效率足以提供低的发射极饱和电压VCE。而且价格低，以1200V IGBT为例，NPT型比PT型的制造成本低25%左右，耐压越高两者的成本差越大，对于大规模生产，其效益是巨大的。NPT型IGBT的应用特点:开关损耗小，下降时间短，无拖尾；正温度系数，容易实现芯片并联扩大容量；用微细加工技术，易制作高耐压芯片；P+发射区厚度只有几微米，芯片热阻小，热特性和抗二次雪崩击穿能力强。研究开发新结构NPT型IGBT成为这一技术领域的发展潮流，超强型NPT-IGBT、超快速IGBT、含阻尼二极管低功率IGBT、IGBT/FRD等产品相继上市，产品基本上全模化。

　　U-IGBT是在芯片上直接刻槽，芯片元胞内部形成沟槽形栅极，采用沟道结构后，可进一步缩小器件的元胞尺寸，可到原来的1/5，降低MOS沟道电阻，提高单位芯片面积的电流密度，适合用于驱动电压化、表面贴装要求。有时将U-IGBT称其为第四代产品。采用特殊高能照射分层技术，关断时间在100ns以下的IGBT称为第五代产品。开发具有自保护功能的横向型IGBT，这种LIGBT已大量用于智能功率集成电路SPIC，研究空穴注入控制型LIGBT，采用LDMOS/LIGBT混合结构，对SPIC中的高、低端信号传输兼具LIGBT驱动能力强与LDMOS速度快的特点。

　　IGCT是在IGBT和门极可关断晶闸管GTO技术基础上发展起来的，专为高电压场合而设计的功率开关器件，其特点为耐高压，耐大电流冲击，易于程控。IGBT和IGCT分别占领了大功率器件的应用市场，两者有相当大的互补性，IGCT适用于功率较大的装置，目前最大为4.5kW、5kW。

IPM技术发展

　　IPM集合了IGBT芯片、控制IC、封装的三种技术，控制IC是其关键，提供驱动与完善的保护功能。IPM的主要特点是内置驱动与保护电路，应用设计更简捷；组装及测试自动化，系统可靠性更高；内部电路布线设计优化，可有效抑制干扰；通态损耗和开关损耗较低，所需散热器面积较小；用标准化逻辑电平控制电路门控接口，扩充规格时无须另行设计驱动电路；具备强有力的自动保护和故障检测功能；性价比高于IGBT模块，有很好的经济性，并可按客户要求定制产品。

　　日本厂家利用其IGBT芯片技术，量产CM.PM.TM.MIG等系列化产品，电压600V/1200V，电流数十至几百甚至上千A，市场以变频空调器、洗衣机、微波炉等家电和工业变频调速为主。欧美厂家为各种IGBT的应用开发、生产多种功率模块，有不同的封装外型，其电流范围从10A至2400A，电压从600V至3300V，将三相整流桥与三相桥式逆变器混合在一起构成复合功率模块PIM，电力电子积木PEBB、电力电子模块IPEM，共烧瓷片多芯片模块、平面低电压封装是大电流IGBT多芯片并联的关键工艺，智能化、模块化已成为IGBT技术发展热点。

　　IPM经历了三个时代的发展，第三代产品采用了IC驱动与更多的保护技术，高速、低功耗、低饱和压降IGBT芯片和快恢复续二极管芯片以及新的封装技术。隔离封装技术上目前有两种，一种是以小功率IPM，其特点为外壳薄，适用于30A以下的容量模块，采用多层环氧树脂粘合绝缘结构，铜层和环氧树脂直接在铝基板上的构成屏蔽的印制电路，IGBT芯片和门极驱动IC直接焊接在基板上，不需另制印刷电路板和陶瓷绝缘材料，这种封装设计非常适合低成本及尺寸紧凑的产品中应用。另一种是用于大中功率模块，先采用不同材料把IGBT组装成一个具有多层结构的IGBT功率模块，国际上流行直接键合铜绝缘导热基板技术，解决热匹配、导热、散热、机械强度、应力分布问题，再用陶瓷材料将IGBT模块和控制电路用印制电路板分开，其特点是安装面积较小，适用于30A以上的大容量IPM。也可以视IPM的成本、输出功率、工艺水平而定，采用IGBT芯片和多个控制IC的多芯片封装。IPM中封入的IGBT芯片有单管封装H型、双管封装D型、六合一封装C型、七合一封装R型等多种拓朴结构及其排列，C型和R型是专为变频器而设计的。

　　PM系列IPM具有其代表性，内置的IGBT芯片带有许多起电流传感器作用的小单元，可连续检测IGBT主电流，实现高速过流保护及短路保护。故障检测与关断方式使芯片的容量得到最大限度的利用，只要有一个保护电路起作用，IGBT的门极驱动电路就会关闭，同时产生一个故障信号输出。靠近IGBT芯片的绝缘基本上装有温度传感器，当基板的温度超过过热断开阈值时，IPM内部的保护电路也会中止门极驱动，待温度降到某一设定值时再重新开启，适用于各种逆变器和交流伺服驱动系统。

　　新一代IPM内藏开关电源、功率因素校正电路、信号处理电路，开发出只需一路电源的单电源IPM。今后，IPM将会向大容量、多功能、高频化、小型化、高性能、低电感封装、更小热阻的方向发展，并与微控制器的一部分混合集成，采用新结构、新封装技术开发IPM。

IPM的应用

　　IPM投入实际应用比IGBT晚两年，因是一种更为容易使用的集成功率器件，可在低成本和小尺寸、结构紧凑的产品中应用，大大缩减产品开发与调试周期，所以，其发展速度很快。

　　IPM是变频技术功率变换部分的关键组件，除在各种工业用高、低压和大容量变频器中被大量采用外，变频的空调器、洗衣机、电冰箱、微波炉、电磁灶等家用电器也广泛采用IPM。在逆变电源、不停电电源、通信电源、激光电源、逆变弧焊电源、地铁、电力机车、电梯等产品中，也有采用IPM的，市场前景可观。