本文转载自@@： 三菱电机半导体@@
讲座导语@@
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@@。本讲座主要介绍@@DIPIPMTM的@@基础@@、功能@@、应用和@@失效分析技巧@@，旨在@@帮助读者全面了解并正确使用该产品@@。
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@@。
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）
关于三菱电机@@
三菱电机创立于@@1921年@@，是@@全球知名@@的@@综合性企业@@。在@@2020年@@《财富@@》世界@@500强排名@@中@@，位列@@300名@@。截止@@2021年@@3月@@31日的@@财年@@@@，集团营收@@41914亿@@日元@@（约合美元@@395亿@@）。作为一家技术@@主导型@@企业@@，三菱电机拥有多项专利技术@@@@，并凭借强大的@@技术@@实力和@@良好的@@企业信誉在@@全球的@@电力设备@@@@、通信设备@@@@、工业自动化@@、电子@@元器件@@、家电等市场占据重要地位@@。尤其在@@电子@@元器件@@市场@@，三菱电机从@@事开发和@@生产半导体已有@@60余年@@@@。其半导体产品更是@@在@@变频家电@@、轨道牵引@@、工业与新能源@@、电动汽车@@、模拟@@/数字通讯以@@及有线@@/无线通讯等领域得到了广泛的@@应用@@。