講座導語

DIPIPM?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、工業和汽車空調等領域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPM?的基礎、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品。

1.3 DIPIPM?的歷史及未來發展

DIPIPM?誕生的歷史背景

功率半導體器件進化和發展的動力源自于人類對于電氣設備及其電力變換裝置的高性能、低成本、易使用等要素的不懈追求。具體到DIPIPM?*1，則與變頻空調的誕生和發展密切相關。早在1980年變頻技術首先被應用到空調上，這是空調發展史上一個重要的里程碑。相對于傳統的定速電機方式，變頻方式通過PWM*2調制波來控制功率器件的開通和關斷，進而控制加在電機上的電壓來實現對電機轉速的控制，從而實現了制冷和制熱（溫度）的自由調節。變頻方式不但能帶來更好的舒適性，同時也帶來了節能省電的優點。這一時期變頻空調控制器采用的主要是分立器件或IPM*3方案。

之后在1993年，日本開始實施變頻空調節能法，日本空調廠商展開了節能空調產品的激烈競爭，這不但提升了空調的節能性能，也促進了變頻空調的普及化。同時也對功率模塊在節能、小型化等方面提出了更新的要求。空調行業的發展趨勢要求功率模塊不僅需要提高內置功率器件的效率，減小產品的封裝尺寸，而且要在保證高度安全可靠的同時實現產品的低價格。這對功率模塊的內置芯片工藝、封裝工藝以及內置功能提出了非常高的要求。由于變頻空調控制器的分立方案太過復雜，而傳統IPM方案成本太高，為了解決這個問題，三菱電機創新性地推出了雙列直插型智能功率模塊DIPIPM?，并在1997年開始了批量生產。

DIPIPM?內置了高耐壓驅動芯片，不但可以實現單電源IGBT*4驅動，使高開關速度成為了可能，提高了功率模塊的效率，而且集成了欠壓、過溫、過流等保護功能，大大降低了空調變頻控制器的設計難度，大幅度地減小了空調變頻控制器的體積，同時也進一步提高了變頻空調的可靠性。圖1給出了三菱電機雙列直插型智能功率模塊（DIPIPM?）產品內部結構及電氣原理圖。由圖1可以看出，相比較傳統的IPM，DIPIPM?采用了壓注模封裝工藝，成本更低、生產效率更高；內置了HVIC、LVIC驅動芯片，PWM驅動信號可以不通過光耦而直接連接到MCU輸出端口；上橋臂電路采用自舉方式供電，只需要單路15V電源即可。

圖1 三菱電機DIPIPM?模塊

DIPIPM?滿足了空調等家電行業對進一步簡化外圍電路、產品體積小型化以及低成本的要求，促進了節能變頻空調、變頻洗衣機、變頻冰箱等變頻家電的普及，逐漸成為家電變頻控制器的主流功率半導體器件。

DIPIPM?的技術變遷

三菱電機從把DIPIPM?推向市場開始，為滿足變頻空調等家電設備對功率元器件特性要求的不斷提高（功耗，成本，體積等），對DIPIPM?的內置IGBT芯片以及封裝技術進行不斷改進。首先是IGBT芯片技術的變遷，IGBT芯片是DIPIPM?最重要的功率元器件，從早期三代的平面型IGBT，到第四代溝槽型IGBT，三菱電機一直在IGBT芯片的半導體結構和生產工藝上不斷地進行創新，芯片面積、工藝線寬、通態飽和壓降、關斷時間、功率損耗等各項指標經歷了不斷的優化，性能也得到穩步提升。圖2展示了三菱電機IGBT芯片技術的發展路線。

圖2 三菱電機IGBT技術變遷

封裝技術直接影響著功率器件的整體性能和可靠性，與對芯片技術的不斷探索一樣，三菱電機對改善封裝技術孜孜以求，臻于至善。DIPIPM?的封裝技術不斷取得進步，在做到產品成本越來越低、生產效率越來越高的同時，DIPIPM?的性能表現穩步提高。同時也通過材料的節省以及包裝材料的減少間接達到了減少資源消耗、節能和環保的目的。圖3展示的是三菱電機DIPIPM?模塊封裝技術的發展。

圖3 三菱電機DIPIPM?封裝技術發展

自從1997年第1代DIPIPM?誕生以來，伴隨著IGBT芯片一代一代技術的發展和封裝技術的不斷改進，三菱電機也對DIPIPM?產品不斷進行升級換代，至今已發展至第7代DIPIPM?，封裝形式也從大型發展到小型、超小型、SLIMDIP?乃至SOPIPM?和DIPIPM+?，不斷致力于為客戶提供更高能效、更高集成度、更完善智能化、更高功率密度、更高性價比的產品。目前三菱電機DIPIPM?家族旗下擁有七大系列產品：SOPIPM?、SLIMDIP?、Super mini、Mini、Large、DIPIPM+?和Large DIPIPM+?，如圖4所示。客戶可以根據實際需求選擇最合適、性價比最高的產品。

圖4 三菱電機DIPIPM?產品線及其規格

DIPIPM?在中國的應用史
中國的變頻空調市場從1996~1997年開始啟動，起初采用的是三菱電機的IPM產品，大約在2001年三菱電機開始向中國變頻空調廠家推廣DIPIPM?并取得了成功。得益于在日本市場的良好表現，三菱電機DIPIPM?在國內很快得到了客戶的廣泛認可。隨著中國市場對DIPIPM?模塊的需求迅速增長，三菱電機也適時對產品進行了系列升級，市場份額也隨之不斷提升。從第3代大型和小型DIPIPM?到第4代超小型產品，再到第5代/第6代超小型產品以及最新的SLIMDIP?、SOPIPM?和Large DIPIPM+?產品。在產品設計上充分考慮了中國客戶的需求，比如增加了溫度輸出功能、內置自舉二級管以及提高短路保護電流的精度等等。三菱電機一直致力于變頻家電領域的發展。自發貨以來截止到目前，DIPIPM?產品累計出貨已經超過10億片。

與家電領域相比，工業領域相對來說應用環境更為惡劣，對模塊的絕緣耐壓和過載倍數要求更高。由于三菱電機在設計之初就充分考慮產品應用的兼容性，使得產品應用不局限在某一領域，比如三菱電機的大型DIPIPM?、小型DIPIPM?不僅在家電領域同樣在工業領域也得到了廣泛應用，獲得了不同應用領域客戶的認可。另外針對特殊領域，例如發展潛力巨大的電動汽車領域，三菱電機大型DIPIPM?已經通過相關的AEC-Q認證，以滿足中國電動汽車領域客戶的更高要求。最近三菱電機又推出了結溫高達175℃、整體噪聲比上一代低約10dB的第7代超小型DIPIPM?產品，適合EMI*5要求高、對電流過載倍數要求高的工業領域。

DIPIPM?的未來展望
作為小功率變頻應用的主流器件，DIPIPM?的技術還在不斷發展。一方面是基于現有的Si襯底的IGBT芯片性能會取得進一步的提升，另一方面，相較于Si材料，SiC材料的禁帶寬度更大，在擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導率以及抗輻射等關鍵參數方面有顯著優勢。基于這些優良特性，SiC器件可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應用需求。盡管現在SiC襯底成本高昂，并且由于后續晶圓制造、封裝良率較低，導致SiC器件整體成本仍處于較高水平。未來隨著全球半導體廠商加速研發及擴產，生產工藝和技術日趨成熟，將有效降低SiC器件成本。基于SiC技術的DIPIPM?也將會逐步批量使用，以其遠優于Si材料的特性來實現大幅節能和安裝產品的小型化、輕量化。

三菱電機早在20多年前就開始了針對SiC技術的研究。在2000年研發出多種基于SiC的基礎工藝技術，此后三菱電機SiC功率器件在不同的應用領域中先后樹立了豐碑。早在2010年三菱電機就向市場上推出了混合型SiC DIPIPM?，應用于變頻空調中；并于2016年將基于三菱電機第2代SiC MOSFET*6芯片技術的全SiC DIPIPM?產品實現了商業化應用，獲得了客戶的好評。目前，三菱電機即將完成第3代溝槽柵型SiC MOSFET芯片的研發工作，相信不久的將來基于此新一代SiC MOSFET芯片的DIPIPM?產品也會面市，以滿足客戶對更好性能的追求。

未來三菱電機將持續保持對SiC技術的深入研究，把“Changes for the better”的企業理念化為實際行動，踐行“精于節能，盡心環保”的綠色研發生產，為社會的可持續發展和節能減排貢獻力量。

在接下來的章節中，我們將重點圍繞三菱電機的DIPIPM?產品和應用等方面進行詳細介紹，下面的內容更精彩，敬請期待！

本講總結
1） 智能功率模塊的技術變遷為變頻空調的節能環保做出了重要貢獻。
2） DIPIPM?集成了IGBT等功率芯片和用于IGBT驅動和保護的控制IC，產品體積小、成本低、可靠性高、外圍電路設計簡單。
3） 三菱電機對其DIPIPM?內置IGBT芯片以及封裝技術進行技術創新和迭代升級，目前三菱電機的IGBT技術已經發展到第七代。
4） 三菱電機DIPIPM?在國內外得到客戶的廣泛認可，在變頻家電領域占據舉足輕重的重要地位。
5） 目前SiC器件由于成本高昂尚未大規模使用，但由于其優良的特性未來將是功率半導體主流產品。
6） 三菱電機深耕SiC領域多年，技術儲備完善。未來將持續創新和研發，開發出更多基于SiC的新型DIPIPM?。

*號術語列表：

*1. DIPIPM：雙列直插型智能功率模塊（Dual In-line Package Intelligent Power Module）；DIPIPM?是三菱電機株式會社注冊商標

*2. PWM：脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）

*3. IPM: 智能功率模塊（ Intelligent Power Module）

*4. IGBT：絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）

*5. EMI：電磁干擾（Electromagnetic Interference）

*6. MOSFET：金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）

主要參考文獻：

[1]袁立強，趙爭鳴，宋高升，王正元；《電力半導體器件原理與應用》

[2]梁小廣，商明，何洪濤，李衍鴻；《智能功率模塊對空調產品節能環保的貢獻》

關于三菱電機

三菱電機創立于1921年，是全球知名的綜合性企業。在2021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）。作為一家技術主導型企業，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業信譽在全球的電力設備、通信設備、工業自動化、電子元器件、家電等市場占據重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發和生產半導體已有60余年。其半導體產品更是在變頻家電、軌道牽引、工業與新能源、電動汽車、模擬/數字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。

審核編輯 黃宇