本文轉(zhuǎn)載自： 三菱電機半導體

講座導語
DIPIPMTM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPMTM的基礎(chǔ)、功能、應用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

1.2 IGBT/IPM/DIPIPMTM

定義及應用基礎(chǔ)（1）

1.2.1 IGBT定義及主要特性
IGBT*1是絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）的英文縮寫。作為一種典型的單極型和雙極型混合器件，從20世紀80年代后期投放市場以來，IGBT依靠高開關(guān)速度?大關(guān)斷電流?高阻斷電壓等優(yōu)點在電力變換裝置中被廣泛應用。以IGBT為基礎(chǔ)，許多新型功率器件如IGBT模塊?IPM*2?DIPIPMTM*3得到了快速發(fā)展。IGBT作為這些新型功率器件的核心，其在應用過程中的要點和原則，同樣適用于這些新型功率器件。只有充分了解IGBT的特性和應用要點才能更好地理解和使用由IGBT進化而來的各種新型器件。

通常大家所提到的IGBT，一般指分立IGBT器件或IGBT模塊，這些器件的結(jié)構(gòu)和工作機理都是以IGBT芯片為基礎(chǔ)，一代IGBT芯片技術(shù)決定了一代IGBT模塊?IPM?DIPIPMTM等以IGBT為基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)器件的主要性能。

近20年來，IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展很快，技術(shù)改進方案很多，每種技術(shù)改進措施的實施，都會把IGBT芯片的性能向前推進。IGBT芯片發(fā)展大體經(jīng)歷了平面柵PT*4型IGBT?溝槽柵PT型IGBT? 載流子存儲溝槽柵型CSTBTTM*5 LPT*6 IGBT等進化過程，不同芯片具有不同的結(jié)構(gòu)?制造工藝和工作特性，IGBT芯片技術(shù)進化方向總是圍繞著如何把“通態(tài)壓降-開關(guān)時間”的矛盾處理到更為優(yōu)化的折中點，通過優(yōu)化IGBT芯片的開關(guān)特性和導通特性使器件的功耗?噪聲?短路能力等關(guān)鍵性能指標得到提升。因此在各類以IGBT為基礎(chǔ)的器件的應用過程中，必須了解該器件所采用IGBT芯片的特性。

圖1給出了由IGBT進化而來的各種相關(guān)功率器件的圖片。由圖1可以看出IGBT芯片是IGBT關(guān)聯(lián)器件的核心，把IGBT芯片單體通過封裝工藝制造出來的是IGBT分立器件；把多個IGBT芯片按照一定拓撲進行電氣連接并進行封裝就形成了IGBT模塊。如果IGBT模塊內(nèi)部同時包含了驅(qū)動保護等相關(guān)電路，則稱之為IPM或DIPIPMTM模塊。就IGBT的芯片基本結(jié)構(gòu)來說，IGBT芯片可以認為是MOSFET*7柵結(jié)構(gòu)和雙極型晶體管相結(jié)合而進化形成的混合型功率芯片。因此具有雙極型晶體管和功率MOSFET的雙重特點。

圖2是典型IGBT芯片結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為其等效電路。IGBT與其它半導體元器件一樣也是在硅、碳化硅、氮化鎵等半導體材料上通過半導體工藝如外延、光刻、刻蝕、離子注入和擴散等工藝加工而成的一種多PN結(jié)半導體器件，因而也具有一般半導體器件所具有的特點，如存在耐壓、耐電流、耐溫要求；電氣參數(shù)存在溫度相關(guān)性以及寄生電感、寄生電容等寄生參數(shù)。

同時IGBT芯片又可以看做達林頓結(jié)構(gòu)MOSFET和晶體管組成的復合型芯片，又具有自身的特點，如門極采用MOSFET柵結(jié)構(gòu)，電壓驅(qū)動?驅(qū)動功率低?開關(guān)速度快，但柵極易受浪涌電壓干擾?易發(fā)生過壓損壞；工作電流大，導通壓降低，但不允許長時間短路等。在實際應用中，需要特別留意寄生參數(shù)對IGBT工作帶來的影響，相比其它主要參數(shù)如耐溫、耐壓、額定電流，寄生參數(shù)由于絕對數(shù)值低、難以測試評價等因素容易被忽略而導致IGBT在運行過程中發(fā)生故障。

通常認為功率半導體器件為雙穩(wěn)態(tài)器件，工作狀態(tài)主要是通態(tài)和阻態(tài)。但在實際應用過程中功率半導體器件卻表現(xiàn)出更多方面的特性，除了通態(tài)和阻態(tài)外，還有開通、關(guān)斷、觸發(fā)、恢復、熱和機械等特性。因此僅僅了解器件的通態(tài)、阻態(tài)遠遠不夠，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。

圖4是IGBT半橋開關(guān)測試電路，采用電感作為開關(guān)測試的負載，可以用來對IGBT的開關(guān)進行評價。圖4中虛線部分為IGBT的寄生電容，這些寄生電容對于IGBT的開關(guān)特性有直接影響。

圖5是IGBT的理想開通波形，柵極驅(qū)動電壓UG在t0時刻通過柵極電阻RG加到IGBT柵極，UGE開始上升，向IGBT的柵射極電容CGE充電，當UGE上升到IGBT開啟電壓時，IGBT集電極電流Ic開始隨著UGE上升而上升，同時續(xù)流二極管的電流開始下降，續(xù)流二極管電流和IGBT電流之和等于輸出電流Io。在t1~t2期間,續(xù)流二極管的電流下降但仍處于正向偏置導通，這意味著直流母線電壓仍然加在IGBT的C和E兩端，IGBT輸出電流是Io的一部分，這期間IGBT的功率損耗較大。從t2時刻起，負載電流全部由IGBT承擔，此時二極管電流下降到零。

圖6是IGBT的實際開通波形，考慮了二極管反向恢復和寄生電感的影響。當IGBT電流Ic在t1時刻開始上升時，寄生電感影響電流變化率，uCE下降引起寄生電容CGC(密勒電容)放電，該電流從柵極流向集電極，減少了向柵射極電容充電，從而使uGE上升率減少，導致集電極電流上升率減少。在t2時刻，二極管正向電流為零，負載電流在此過程中不發(fā)生改變，二極管反向恢復電流由IGBT承擔，此時IGBT電流超過輸出電流。在t3時刻，流過IGBT的電流等于輸出電流Io和二極管反向恢復峰值電流IRR之和，二極管開始恢復反向阻斷能力，反向恢復電流開始逐步減少。這一期間，IGBT和二極管都有能量損耗。t4時刻，由于寄生電感和寄生電容而引起振鈴現(xiàn)象。在t4~t5期間，IGBT的集電極電壓達到穩(wěn)定狀態(tài)。

IGBT實際關(guān)斷波形見圖7，關(guān)斷開始時柵極電壓減少，柵射極電容CGE放電，t1時刻柵極電流恰好使IGBT進入臨界飽和，輸出電流Io全部由IGBT供給。t1時刻開始uCE開始緩慢上升。從t2時刻開始，當uCE增加到10V以后，密勒電容CGC的容量大大減小，明顯減少了從集電極到柵極的反饋電流，uGE向零下降，uCE迅速向直流母線電壓上升。t3時刻，IGBT集電極電壓達到直流母線電壓，輸出電流轉(zhuǎn)由續(xù)流二極管提供，完成關(guān)斷過程。

1.2.2 分立IGBT器件特性及應用基礎(chǔ)
IGBT芯片的特性直接決定了IGBT器件的特性，同時又受到其它外圍驅(qū)動參數(shù)的影響，對于分立IGBT的實際應用來說，驅(qū)動保護設(shè)計與散熱設(shè)計是其中兩個最重要的技術(shù)要點，對于器件的運行乃至電力變換裝置的可靠性和壽命至關(guān)重要。

由于IGBT門極采用了MOSFET柵結(jié)構(gòu)，利用電壓驅(qū)動，具有開關(guān)速度快?頻率特性好的特點，另一方面電壓驅(qū)動又使其門極易受到電壓干擾，特別是器件本身的寄生參數(shù)或線路中寄生參數(shù)導致的浪涌電壓都會對分立IGBT的運行產(chǎn)生影響。同時分立IGBT作為功率器件，工作時需要承受高壓?大電流以盡可能提高電力轉(zhuǎn)換功率，轉(zhuǎn)換過程中功率損耗產(chǎn)生的熱量需要及時的傳遞到外部，以保證IGBT芯片的結(jié)溫不超過允許的上限，分立IGBT的散熱設(shè)計也是IGBT應用過程中需要重點考慮的，散熱設(shè)計涉及到IGBT的損耗計算?IGBT外部散熱器設(shè)計?IGBT溫度評估?IGBT溫度保護等技術(shù)點。就驅(qū)動而言，分立IGBT經(jīng)常采用高壓集成電路HVIC*8來驅(qū)動。圖8是分立IGBT的圖片符號?驅(qū)動電路示意圖及散熱器結(jié)構(gòu)。

圖8的驅(qū)動電路采用的是一片HVIC來驅(qū)動上下橋臂IGBT，對于包含6只分立IGBT的全橋逆變的拓撲結(jié)構(gòu)來說，需要3片HVIC完成全橋IGBT驅(qū)動。與采用分立元器件搭建的驅(qū)動電路相比，采用HVIC來驅(qū)動，不再需要自己設(shè)計正負電源，也不再需要采用4路隔離電源來供電，給使用帶來了極大便利。同時采用HVIC作為分立IGBT驅(qū)動的方案仍然需要用戶自己設(shè)計相關(guān)的驅(qū)動保護參數(shù)，如門極驅(qū)動電路?短路保護電路?自舉電源電路等。

由于分立IGBT驅(qū)動方案需要同時設(shè)計多路驅(qū)動保護電路，所以其驅(qū)動電路相對復雜，另外在PCB*9設(shè)計時，需要同時考慮多路走線，走線難度大，電路寄生參數(shù)復雜，且需要在設(shè)計及調(diào)試上花費大量時間。由于IGBT工作時會產(chǎn)生大量熱量，這些熱量需要通過散熱系統(tǒng)傳遞到空氣中，通常情況下，分立IGBT需要安裝單獨的散熱器進行散熱，如圖8所示。在全橋逆變應用中，一般6只IGBT會采用同一散熱器進行散熱，這種散熱方式需要在IGBT焊接到PCB線路板時，嚴格控制6只IGBT散熱面處于同一平面，以保證每只IGBT散熱良好，不受機械應力的影響，這種散熱方式會使IGBT安裝到PCB時生產(chǎn)工藝難度大，生產(chǎn)效率低，另外由于HVIC受限于耐壓及驅(qū)動功率，只適合于中小功率的 IGBT驅(qū)動，如電動自行車?變頻洗衣機?變頻冰箱等。

*號術(shù)語列表：
*1: IGBT→絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）
*2: IPM→智能功率模塊（Intelligent Power Module）
*3: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；DIPIPMTM是三菱電機株式會社注冊商標。
*4: PT IGBT：穿通型IGBT( Punch Through IGBT)
*5: CSTBT IGBT→載流子存儲式溝槽柵型雙極晶體管(Carrier Stored Trench-Gate Bipolar Transistor)；CSTBTTM是三菱電機株式會社注冊商標。
*6: LPT IGBT：輕穿通型IGBT( Light Punch Through IGBT)
*7: MOSFET:→金屬場效應晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）
*8: HVIC→高壓集成電路（High Voltage Integrated Circuit）
*9: PCB→印刷線路板（Printed Circuit Board）

關(guān)于三菱電機

三菱電機創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2020年《財富》世界500強排名中，位列300名。截止2021年3月31日的財年，集團營收41914億日元（約合美元395億）。作為一家技術(shù)主導型企業(yè)，三菱電機擁有多項專利技術(shù)，并憑借強大的技術(shù)實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發(fā)和生產(chǎn)半導體已有60余年。其半導體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。

審核編輯 黃宇