講座導(dǎo)語

DIPIPMTM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，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)（2）

1.2.3. IGBT模塊定義及應(yīng)用基礎(chǔ)

所謂IGBT模塊就是把兩個(gè)或兩個(gè)以上的IGBT芯片按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，與輔助電路一起被封裝到同一絕緣樹脂外殼內(nèi)而形成的IGBT組件。與分立的IGBT相比，具有體積小?重量輕?結(jié)構(gòu)緊湊?可靠性高?外部接線簡單?便于維修安裝的諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)IGBT模塊封裝的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)使用戶在選用IGBT模塊時(shí)自由度更大。IGBT模塊在中大功率的電力變換裝置中占有主要地位。圖9?圖10分別是2單元及6單元IGBT模塊的圖片及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

相比較分立IGBT，采用IGBT模塊的電力變換裝置在集成度?結(jié)構(gòu)的緊湊性?安裝的維修便利方面有了很大提高，同時(shí)由于內(nèi)部封裝的多個(gè)IGBT共用同一散熱器，因此在散熱器設(shè)計(jì)方面，與分立IGBT相比難度較低，由圖11可以看出，整個(gè)IGBT模塊可以和整流橋共用一個(gè)散熱器，散熱系統(tǒng)簡單?緊湊。但在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方面與分立IGBT相比沒有明顯改善，圖12是光耦驅(qū)動(dòng)的IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)示意圖，IGBT模塊驅(qū)動(dòng)需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路?需要較長的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證時(shí)間。在發(fā)生過流?短路?欠壓?過溫等故障時(shí)，若不能及時(shí)保護(hù)，IGBT模塊會(huì)發(fā)生損壞，嚴(yán)重影響電力變換裝置的可靠性，這也限制了IGBT模塊在某些需要高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2.4. IPM定義及應(yīng)用基礎(chǔ)

IPM即Intelligent Power Module(智能功率模塊)的縮寫，它是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將IGBT連同其驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊內(nèi)，使電力變換裝置的設(shè)計(jì)者從繁瑣的IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路設(shè)計(jì)中解脫出來，大大降低了功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用難度，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。

IGBT從誕生之日起就在電力變換的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，從傳統(tǒng)的家用電器?工業(yè)變頻器?電源逆變器?電焊機(jī)等領(lǐng)域到新型的高鐵?機(jī)器人?高壓輸變電?電動(dòng)汽車等新型領(lǐng)域都能看到IGBT的身影，這些新型領(lǐng)域?qū)τ贗GBT可靠性要求也越來越高，由于IGBT器件的固有特性，當(dāng)出現(xiàn)過流?短路?過壓時(shí)如不能及時(shí)保護(hù)，往往在十幾微秒乃至數(shù)微秒內(nèi)就會(huì)導(dǎo)致IGBT損壞，造成電力變換系統(tǒng)停機(jī)事故。為了解決IGBT在驅(qū)動(dòng)保護(hù)?可靠性方面的不足，上世紀(jì)九十年代，三菱電機(jī)的工程師們提出了IPM的概念，把驅(qū)動(dòng)和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊，以改善IGBT驅(qū)動(dòng)保護(hù)方面的不足。IPM首先在日本市場(chǎng)研發(fā)成功并量產(chǎn)，之后在工業(yè)變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器以及變頻空調(diào)器上得到了廣泛應(yīng)用，獲得了極大成功，成為又一種具有劃時(shí)代意義的新型功率半導(dǎo)體器件。

下圖13是IPM模塊相較IGBT模塊的主要技術(shù)改進(jìn)點(diǎn)

由圖13可以看出相比較IGBT模塊，IPM應(yīng)用過程中，不再需要用戶自己設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，IGBT的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)由IPM內(nèi)部電路來完成。圖14是一種兩單元IPM模塊圖片及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

IPM模塊內(nèi)置驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路, 驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)置，使用戶在應(yīng)用時(shí)，不必再設(shè)計(jì)需要正負(fù)電源的IGBT驅(qū)動(dòng)電路，也不需要設(shè)計(jì)短路電流檢測(cè)電路?過溫保護(hù)電路，這將大大簡化PCB設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)對(duì)整個(gè)電力變換裝置的評(píng)估時(shí)間也大大縮短，有助于用戶迅速推出新產(chǎn)品。除了短路保護(hù)?過溫保護(hù)功能外，IPM還具有控制電源欠壓保護(hù)?故障信號(hào)輸出功能，完善的保護(hù)功能，使采用了IPM的電力變換裝置的可靠性得到大幅提高。特別是對(duì)性能?可靠性要求高的領(lǐng)域，如電梯變頻器?UPS電源?伺服控制器等都在廣泛應(yīng)用IPM。在散熱設(shè)計(jì)上，IPM的內(nèi)部IGBT單元可以共用同一散熱器，并且內(nèi)置IGBT芯片溫度傳感器，可以對(duì)6個(gè)IGBT芯片的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在發(fā)生過溫時(shí)及時(shí)關(guān)閉IGBT并給出故障信號(hào)，從而使IPM在熱設(shè)計(jì)方面比IGBT模塊更可靠。IPM可靠性提高付出的代價(jià)是設(shè)計(jì)制造相對(duì)復(fù)雜，成本較高，圖15是一種6單元IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

1.2.5 . DIPIPMTM定義及特點(diǎn)

在第一講中，我們了解了功率器件的分類及其發(fā)展的歷史，在本講中重點(diǎn)介紹了IGBT及IPM的概念?應(yīng)用要點(diǎn)?分立IGBT→IGBT模塊→IPM的進(jìn)化過程。以上這些功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)知識(shí)的介紹，是為了更好地理解后面講座中重點(diǎn)介紹的產(chǎn)品DIPIPMTM及其應(yīng)用，DIPIPMTM是雙列直插智能功率模塊的英文縮寫，可以說DIPIPMTM是一種小型化的IPM。它采用了壓注模封裝，內(nèi)置了HVIC，外圍電路變得更加簡單而節(jié)約成本，與IPM相比擁有許多自己的特點(diǎn)，下圖16給出了DIPIPMTM與IPM應(yīng)用電路對(duì)比，對(duì)于DIPIPMTM其內(nèi)置了HVIC,應(yīng)用電路中不再需要光耦進(jìn)行隔離，采用自舉電路，只需要單路15V控制電源即可。圖17給出了DIPIPMTM與IPM內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，相比IPM，DIPIPMTM更易于設(shè)計(jì)使用，成本更低，特別適合大批量制造及應(yīng)用。

DIPIPMTM的發(fā)展可以追溯到上世紀(jì)90年代，并且隨著小功率變頻應(yīng)用的發(fā)展而不斷發(fā)展壯大，特別是在變頻家電領(lǐng)域，更是占據(jù)了極高的市場(chǎng)份額。接下來的講座中，將重點(diǎn)圍繞DIPIPMTM的發(fā)展歷史→結(jié)構(gòu)特點(diǎn)→選型原則→電路設(shè)計(jì)→評(píng)價(jià)方法→健康管理→生產(chǎn)管理→應(yīng)用技巧等方方面面展開詳細(xì)討論，敬請(qǐng)期待…

本講總結(jié)：

1） IGBT芯片是IGBT分立器件?IGBT模塊?IPM?DIPIPMTM等關(guān)聯(lián)器件的核心，要充分發(fā)揮器件的性能，需要更好地了解器件的開通特性和關(guān)斷特性及這些特性與器件寄生參數(shù)之間的關(guān)系。
2） 對(duì)于分立IGBT的實(shí)際應(yīng)用來說，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。
3） IGBT模塊驅(qū)動(dòng)需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路?需要較長的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證時(shí)間。
4） IPM是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)將IGBT連同其驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路封裝在同一模塊內(nèi)，大大降低了功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用難度，縮短了設(shè)計(jì)周期，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可靠性。
5） DIPIPM是雙列直插智能模塊的英文縮寫，可以說DIPIPM是一種小型化的IPM，但與IPM相比，又有許多自己的特點(diǎn)，更易于使用，成本更低。

主要參考文獻(xiàn)：

[1]袁立強(qiáng)，趙爭(zhēng)鳴，宋高升，王正元；《電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用》

審核編輯 黃宇