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IPM如何从可用的IGBT器件中提取最佳性能?

汽车电子工程知识体系 来源:汽车电子硬件设计 作者:汽车电子硬件设计 2021-02-01 16:04 次阅读

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威廉希尔官方网站 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,我们将研究该威廉希尔官方网站 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。

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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。

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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。

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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。

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图4.DIPIPM的简化框图。图片由Powerex提供。

过电流检测的另一种威廉希尔官方网站 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。

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。

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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威廉希尔官方网站 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。

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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威廉希尔官方网站 。

原文标题:利用BJT,MOSFET和IGBT的智能功率模块

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原文标题:利用BJT,MOSFET和IGBT的智能功率模块

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