全面解读DIPIPMTM的基础、功能、应用和失效分析技巧

　　DIPIPMTM是双列直插型智能功率模块的简称，由三菱电机于1997年正式推向市场，迄今已在家电、工业和汽车空调等领域获得广泛应用。

　　1.2 IGBT/IPM/DIPIPMTM

　　定义及应用基础（1）

　　1.2.1 IGBT定义及主要特性

　　IGBT*1是绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。作为一种典型的单极型和双极型混合器件，从20世纪80年代后期投放市场以来，IGBT依靠高开关速度､大关断电流､高阻断电压等优点在电力变换装置中被广泛应用。以IGBT为基础，许多新型功率器件如IGBT模块､IPM*2､DIPIPMTM*3得到了快速发展。IGBT作为这些新型功率器件的核心，其在应用过程中的要点和原则，同样适用于这些新型功率器件。只有充分了解IGBT的特性和应用要点才能更好地理解和使用由IGBT进化而来的各种新型器件。 通常大家所提到的IGBT，一般指分立IGBT器件或IGBT模块，这些器件的结构和工作机理都是以IGBT芯片为基础，一代IGBT芯片技术决定了一代IGBT模块､IPM､DIPIPMTM等以IGBT为基础的关联器件的主要性能。 近20年来，IGBT芯片技术的发展很快，技术改进方案很多，每种技术改进措施的实施，都会把IGBT芯片的性能向前推进。IGBT芯片发展大体经历了平面栅PT*4型IGBT､沟槽栅PT型IGBT､ 载流子存储沟槽栅型CSTBTTM*5 LPT*6 IGBT等进化过程，不同芯片具有不同的结构､制造工艺和工作特性，IGBT芯片技术进化方向总是围绕着如何把“通态压降-开关时间”的矛盾处理到更为优化的折中点，通过优化IGBT芯片的开关特性和导通特性使器件的功耗､噪声､短路能力等关键性能指标得到提升。因此在各类以IGBT为基础的器件的应用过程中，必须了解该器件所采用IGBT芯片的特性。

　　图1 IGBT芯片及相关器件 图1给出了由IGBT进化而来的各种相关功率器件的图片。由图1可以看出IGBT芯片是IGBT关联器件的核心，把IGBT芯片单体通过封装工艺制造出来的是IGBT分立器件；把多个IGBT芯片按照一定拓扑进行电气连接并进行封装就形成了IGBT模块。如果IGBT模块内部同时包含了驱动保护等相关电路，则称之为IPM或DIPIPMTM模块。就IGBT的芯片基本结构来说，IGBT芯片可以认为是MOSFET*7栅结构和双极型晶体管相结合而进化形成的混合型功率芯片。因此具有双极型晶体管和功率MOSFET的双重特点。

　　图2 IGBT芯片结构示意图

　　图3 IGBT等效电路

　　图2是典型IGBT芯片结构示意图，图3为其等效电路。IGBT与其它半导体元器件一样也是在硅、碳化硅、氮化镓等半导体材料上通过半导体工艺如外延、光刻、刻蚀、离子注入和扩散等工艺加工而成的一种多PN结半导体器件，因而也具有一般半导体器件所具有的特点，如存在耐压、耐电流、耐温要求；电气参数存在温度相关性以及寄生电感、寄生电容等寄生参数。 同时IGBT芯片又可以看做达林顿结构MOSFET和晶体管组成的复合型芯片，又具有自身的特点，如门极采用MOSFET栅结构，电压驱动､驱动功率低､开关速度快，但栅极易受浪涌电压干扰､易发生过压损坏；工作电流大，导通压降低，但不允许长时间短路等。在实际应用中，需要特别留意寄生参数对IGBT工作带来的影响，相比其它主要参数如耐温、耐压、额定电流，寄生参数由于绝对数值低、难以测试评价等因素容易被忽略而导致IGBT在运行过程中发生故障。 通常认为功率半导体器件为双稳态器件，工作状态主要是通态和阻态。但在实际应用过程中功率半导体器件却表现出更多方面的特性，除了通态和阻态外，还有开通、关断、触发、恢复、热和机械等特性。因此仅仅了解器件的通态、阻态远远不够，要充分发挥器件的性能，需要更好地了解器件的开通特性和关断特性及这些特性与器件寄生参数之间的关系。

　　图4 IGBT半桥测试电路

　　图5 理想开通波形

　　图4是IGBT半桥开关测试电路，采用电感作为开关测试的负载，可以用来对IGBT的开关进行评价。图4中虚线部分为IGBT的寄生电容，这些寄生电容对于IGBT的开关特性有直接影响。 图5是IGBT的理想开通波形，栅极驱动电压UG在t0时刻通过栅极电阻RG加到IGBT栅极，UGE开始上升，向IGBT的栅射极电容CGE充电，当UGE上升到IGBT开启电压时，IGBT集电极电流Ic开始随着UGE上升而上升，同时续流二极管的电流开始下降，续流二极管电流和IGBT电流之和等于输出电流Io。在t1~t2期间，续流二极管的电流下降但仍处于正向偏置导通，这意味着直流母线电压仍然加在IGBT的C和E两端，IGBT输出电流是Io的一部分，这期间IGBT的功率损耗较大。从t2时刻起，负载电流全部由IGBT承担，此时二极管电流下降到零。

　　图6 实际开通波形 图6是IGBT的实际开通波形，考虑了二极管反向恢复和寄生电感的影响。当IGBT电流Ic在t1时刻开始上升时，寄生电感影响电流变化率，uCE下降引起寄生电容CGC（密勒电容）放电，该电流从栅极流向集电极，减少了向栅射极电容充电，从而使uGE上升率减少，导致集电极电流上升率减少。在t2时刻，二极管正向电流为零，负载电流在此过程中不发生改变，二极管反向恢复电流由IGBT承担，此时IGBT电流超过输出电流。在t3时刻，流过IGBT的电流等于输出电流Io和二极管反向恢复峰值电流IRR之和，二极管开始恢复反向阻断能力，反向恢复电流开始逐步减少。这一期间，IGBT和二极管都有能量损耗。t4时刻，由于寄生电感和寄生电容而引起振铃现象。在t4~t5期间，IGBT的集电极电压达到稳定状态。

　　图7 实际关断波形 IGBT实际关断波形见图7，关断开始时栅极电压减少，栅射极电容CGE放电，t1时刻栅极电流恰好使IGBT进入临界饱和，输出电流Io全部由IGBT供给。t1时刻开始uCE开始缓慢上升。从t2时刻开始，当uCE增加到10V以后，密勒电容CGC的容量大大减小，明显减少了从集电极到栅极的反馈电流，uGE向零下降，uCE迅速向直流母线电压上升。t3时刻，IGBT集电极电压达到直流母线电压，输出电流转由续流二极管提供，完成关断过程。

　　1.2.2 分立IGBT器件特性及应用基础

　　IGBT芯片的特性直接决定了IGBT器件的特性，同时又受到其它外围驱动参数的影响，对于分立IGBT的实际应用来说，驱动保护设计与散热设计是其中两个最重要的技术要点，对于器件的运行乃至电力变换装置的可靠性和寿命至关重要。 由于IGBT门极采用了MOSFET栅结构，利用电压驱动，具有开关速度快､频率特性好的特点，另一方面电压驱动又使其门极易受到电压干扰，特别是器件本身的寄生参数或线路中寄生参数导致的浪涌电压都会对分立IGBT的运行产生影响。同时分立IGBT作为功率器件，工作时需要承受高压､大电流以尽可能提高电力转换功率，转换过程中功率损耗产生的热量需要及时的传递到外部，以保证IGBT芯片的结温不超过允许的上限，分立IGBT的散热设计也是IGBT应用过程中需要重点考虑的，散热设计涉及到IGBT的损耗计算､IGBT外部散热器设计､IGBT温度评估､IGBT温度保护等技术点。就驱动而言，分立IGBT经常采用高压集成电路HVIC*8来驱动。图8是分立IGBT的图片符号､驱动电路示意图及散热器结构。

　　图8 分立IGBT实物､符号､驱动电路及散热方式示意图 图8的驱动电路采用的是一片HVIC来驱动上下桥臂IGBT，对于包含6只分立IGBT的全桥逆变的拓扑结构来说，需要3片HVIC完成全桥IGBT驱动。与采用分立元器件搭建的驱动电路相比，采用HVIC来驱动，不再需要自己设计正负电源，也不再需要采用4路隔离电源来供电，给使用带来了极大便利。同时采用HVIC作为分立IGBT驱动的方案仍然需要用户自己设计相关的驱动保护参数，如门极驱动电路､短路保护电路､自举电源电路等。 由于分立IGBT驱动方案需要同时设计多路驱动保护电路，所以其驱动电路相对复杂，另外在PCB*9设计时，需要同时考虑多路走线，走线难度大，电路寄生参数复杂，且需要在设计及调试上花费大量时间。由于IGBT工作时会产生大量热量，这些热量需要通过散热系统传递到空气中，通常情况下，分立IGBT需要安装单独的散热器进行散热，如图8所示。在全桥逆变应用中，一般6只IGBT会采用同一散热器进行散热，这种散热方式需要在IGBT焊接到PCB线路板时，严格控制6只IGBT散热面处于同一平面，以保证每只IGBT散热良好，不受机械应力的影响，这种散热方式会使IGBT安装到PCB时生产工艺难度大，生产效率低，另外由于HVIC受限于耐压及驱动功率，只适合于中小功率的 IGBT驱动，如电动自行车､变频洗衣机､变频冰箱等。

　　*号术语列表：

      *1： IGBT→绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor） *2： IPM→智能功率模块（Intelligent Power Module） *3： DIPIPM→双列直插式智能功率模块（Dual-in-line Intelligent Power Module）；

　　DIPIPMTM是三菱电机株式会社注册商标。 *4： PT IGBT：穿通型IGBT（ Punch Through IGBT） *5： CSTBT IGBT→载流子存储式沟槽栅型双极晶体管（Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor）；

　　CSTBTTM是三菱电机株式会社注册商标。 *6： LPT IGBT：轻穿通型IGBT（ Light Punch Through IGBT） *7： MOSFET：→金属场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor） *8： HVIC→高压集成电路（High Voltage Integrated Circuit） *9： PCB→印刷线路板（Printed Circuit Board）

　　编辑：黄飞