BJT，MOSFET和IGBT的智能功率模块解析

智能功率模块（IPM）是一种功率半导体模块，可将操作IGBT所需的所有电路集成到一个封装中。它包括所需的驱动电路和保护功能，以及IGBT。这样，可以通过可用的IGBT技术获得最佳性能。

过电流，过热和欠压检测是IPM中常见的三种自保护功能。在本文中，我们将研究该技术的一些基本概念，并了解IPM如何从可用的IGBT器件中提取最佳性能。

功率BJT，MOSFET和IGBT

功率BJT具有理想的导通状态传导性能；但是，它们是电流控制的设备，需要复杂的基础驱动电路。由于功率MOSFET是压控器件，我们需要更简单的驱动电路。

但是，功率MOSFET的主要挑战在于其导通电阻随器件击穿电压的增加而增加。在额定电压高于200 V的情况下，与BJT相比，MOSFET的导电性能较差。

IGBT结合了这两个方面的优点，从而实现了高性能的功率开关：它具有BJT导通特性，可轻松驱动MOSFET。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说明了这种寄生晶闸管的产生。

图1.穿通（PT）IGBT的垂直横截面和等效电路模型。图片由意法半导体提供。

根据器件关闭时的电流密度和电压变化率（dv/dt），寄生晶闸管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.锁存电流。

请注意，体区电阻和BJT的增益是环境温度的函数，并且该器件在高温下更容易闩锁。

智能电源模块（IPM）的基本概念

多年来，IGBT制造商已经改善了器件的物理性能，以实现更好的功率开关，从而能够承受相对较大的电流密度而不会发生闩锁故障。

一些制造商决定不优化器件性能，而是决定向可用的IGBT添加一些控制电路，以防止其闩锁。该控制电路与IGBT集成在一起，是具有电流感应功能的反馈回路。

当发生过流/短路情况时，它会监视设备的电流密度以关闭设备。这种反馈机制导致了一个“智能”电源开关，可以保护自己免受故障条件的影响。IPM的基本功能如图3所示。

图3.IPM的基本功能。

电流检测方法

IPM采用多种不同的方式来检测IGBT电流。一些IPM使IGBT电流流经外部并联电阻，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，以检测过电流情况。

图4显示了DIPIPM的简化框图，该DIPIPM基于并联电流检测电阻。在这种情况下，在通过IC的CIN引脚进行监视之前，会感测到RSHUNT两端的电压并对其进行低通滤波。

图4.DIPIPM的简化框图。图片由Powerex提供。

过电流检测的另一种技术称为去饱和检测，该方法基于监视IGBT集电极电压。在正常操作期间，IGBT的集电极-发射极电压非常低（通常为1 V至4 V）。但是，如果发生短路，则IGBT集电极-发射极电压会增加。因此，该电压可用于检测过电流情况。

去饱和方法的缺点在于，它通常会在检测短路情况时允许IGBT中的高功耗。

IGBT的软关断

监视器件电流的反馈环路应能够迅速检测出过电流情况。但是，希望在检测到过电流之后缓慢关闭IGBT。实现这种软关断以抑制破坏性的浪涌电压。上面提到的论文讨论了当关断260 A的短路集电极电流时，软关断可以将集电极到发射极的峰值电压降低30％。

其他共同特征

IPM除了上面讨论的短路检测外，还包括其他自保护功能。过热和欠压保护是IPM中常见的其中两个功能。

欠压功能监视IPM控制电路的电源是否超出容差范围。当电源电压超过预设阈值时，欠压功能将关闭电源设备。这样做是为了避免以可能造成灾难性后果的有源（或线性）工作模式操作IGBT。

当芯片温度超过阈值温度时，过热功能会关闭电源设备。

封装

高级封装是构建高性能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，感测逻辑和功率半导体。与单片IC明显不同的是，混合IC将单个组件（例如晶体管，单片IC，电阻器，电感器和电容器）放置在单个封装中。这些组件被粘合到封装内部的基板或印刷电路板（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的额定电流到高达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。电源模块的基板通常在150-200°C的温度下运行。

因此，基板应具有较高的导热性，以便我们可以将高功率组件紧密地放置在紧凑的封装内。这就是为什么新材料和先进封装技术会显着影响功率半导体模块的尺寸，重量和性能的原因。

IPM回顾

IPM IC内置有驱动电路，可从可用的IGBT器件中获得最佳性能。

图6.IPM和ASIPM的关键概念。

IPM具有多种自保护功能，例如过流，过热和欠压检测。我们看到，现代IPM需要高性能的电源开关，优化的控制电路和先进的封装技术。