本文轉載自： 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、工業和汽車空調等領域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPMTM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。

1.2 IGBT/IPM/DIPIPMTM

定義及應用基礎（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依靠高開關速度?大關斷電流?高阻斷電壓等優點在電力變換裝置中被廣泛應用。以IGBT為基礎，許多新型功率器件如IGBT模塊?IPM*2?DIPIPMTM*3得到了快速發展。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，這些器件的結構和工作機理都是以IGBT芯片為基礎，一代IGBT芯片技術決定了一代IGBT模塊?IPM?DIPIPMTM等以IGBT為基礎的關聯器件的主要性能。

近20年來，IGBT芯片技術的發展很快，技術改進方案很多，每種技術改進措施的實施，都會把IGBT芯片的性能向前推進。IGBT芯片發展大體經歷了平面柵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構?制造工藝和工作特性，IGBT芯片技術進化方向總是圍繞著如何把“通態壓降-開關時間”的矛盾處理到更為優化的折中點，通過優化IGBT芯片的開關特性和導通特性使器件的功耗?噪聲?短路能力等關鍵性能指標得到提升。因此在各類以IGBT為基礎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功率器件的圖片。由圖1可以看出IGBT芯片是IGBT關聯器件的核心，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模塊內部同時包含了驅動保護等相關電路，則稱之為IPM或DIPIPMTM模塊。就IGBT的芯片基本結構來說，IGBT芯片可以認為是MOSFET*7柵結構和雙極型晶體管相結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芯片結構示意圖，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；電氣參數存在溫度相關性以及寄生電感、寄生電容等寄生參數。

同時IGBT芯片又可以看做達林頓結構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柵結構，電壓驅動?驅動功率低?開關速度快，但柵極易受浪涌電壓干擾?易發生過壓損壞；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對IGBT工作帶來的影響，相比其它主要參數如耐溫、耐壓、額定電流，寄生參數由于絕對數值低、難以測試評價等因素容易被忽略而導致IGBT在運行過程中發生故障。

通常認為功率半導體器件為雙穩態器件，工作狀態主要是通態和阻態。但在實際應用過程中功率半導體器件卻表現出更多方面的特性，除了通態和阻態外，還有開通、關斷、觸發、恢復、熱和機械等特性。因此僅僅了解器件的通態、阻態遠遠不夠，要充分發揮器件的性能，需要更好地了解器件的開通特性和關斷特性及這些特性與器件寄生參數之間的關系。

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

圖5是IGBT的理想開通波形，柵極驅動電壓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，同時續流二極管的電流開始下降，續流二極管電流和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象。在t4~t5期間，IGBT的集電極電壓達到穩定狀態。

IGBT實際關斷波形見圖7，關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，輸出電流轉由續流二極管提供，完成關斷過程。

1.2.2 分立IGBT器件特性及應用基礎
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動參數的影響，對于分立IGBT的實際應用來說，驅動保護設計與散熱設計是其中兩個最重要的技術要點，對于器件的運行乃至電力變換裝置的可靠性和壽命至關重要。

由于IGBT門極采用了MOSFET柵結構，利用電壓驅動，具有開關速度快?頻率特性好的特點，另一方面電壓驅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或線路中寄生參數導致的浪涌電壓都會對分立IGBT的運行產生影響。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換功率，轉換過程中功率損耗產生的熱量需要及時的傳遞到外部，以保證IGBT芯片的結溫不超過允許的上限，分立IGBT的散熱設計也是IGBT應用過程中需要重點考慮的，散熱設計涉及到IGBT的損耗計算?IGBT外部散熱器設計?IGBT溫度評估?IGBT溫度保護等技術點。就驅動而言，分立IGBT經常采用高壓集成電路HVIC*8來驅動。圖8是分立IGBT的圖片符號?驅動電路示意圖及散熱器結構。

圖8的驅動電路采用的是一片HVIC來驅動上下橋臂IGBT，對于包含6只分立IGBT的全橋逆變的拓撲結構來說，需要3片HVIC完成全橋IGBT驅動。與采用分立元器件搭建的驅動電路相比，采用HVIC來驅動，不再需要自己設計正負電源，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驅動的方案仍然需要用戶自己設計相關的驅動保護參數，如門極驅動電路?短路保護電路?自舉電源電路等。

由于分立IGBT驅動方案需要同時設計多路驅動保護電路，所以其驅動電路相對復雜，另外在PCB*9設計時，需要同時考慮多路走線，走線難度大，電路寄生參數復雜，且需要在設計及調試上花費大量時間。由于IGBT工作時會產生大量熱量，這些熱量需要通過散熱系統傳遞到空氣中，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時生產工藝難度大，生產效率低，另外由于HVIC受限于耐壓及驅動功率，只適合于中小功率的 IGBT驅動，如電動自行車?變頻洗衣機?變頻冰箱等。

*號術語列表：
*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