智能功率模塊(IPM)是一種功率半導體模塊,將操作IGBT所需的所有電路集成到一個封裝中。
它包括所需的驅動電路和保護功能,以及IGBT。
這樣,利用現有的IGBT技術可以獲得最佳性能。
過電流,過熱和欠壓檢測是IPM中的三種常見的自保護功能。
在本文中,我們將研究該技術的一些基本概念,并了解IPM如何從可用的IGBT器件中提取最佳性能。
電源BJT,MOSFET和IGBT電源BJT具有理想的導通狀態傳導性能;但是,它們是電流控制的設備,需要復雜的基本驅動電路。
由于功率MOSFET是壓控器件,因此我們需要一個更簡單的驅動電路。
但是,功率MOSFET的主要挑戰是其導通電阻隨器件的擊穿電壓而增加。
當額定電壓高于200V時,與BJT相比,MOSFET的導電性較差。
IGBT結合了這兩個方面的優點,以實現高性能的功率開關:它具有BJT導通特性,并且可以輕松驅動MOSFET。
IGBT的主要問題是寄生PNPN(晶閘管)結構,這可能會導致器件故障。
圖1說明了這種寄生晶閘管的產生。
圖1.穿通(PT)IGBT的垂直橫截面和等效電路模型。
圖片由意法半導體提供。
根據器件關閉時的電流密度和電壓變化率(dv / dt),寄生晶閘管將導通并導致器件故障(閂鎖)。
在這種情況下,IGBT電流不再受柵極電壓控制。
鎖存電流如圖2所示。
圖2.鎖存電流。
請注意,體電阻和BJT增益是環境溫度的函數,并且該器件在高溫下更容易閂鎖。
智能功率模塊(IPM)的基本概念多年來,IGBT制造商已經改善了器件的物理性能,以實現更好的功率開關,該功率開關可以承受較大的電流密度而不會發生閂鎖故障。
一些制造商決定不優化器件性能,但決定向可用的IGBT添加一些控制電路,以防止它們閉鎖。
控制電路與IGBT集成在一起,是具有電流感應功能的反饋回路。
當發生過電流/短路情況時,它將監視設備的電流密度以關閉設備。
該反饋機制導致“智能”反饋。
可以保護自身免受故障條件影響的電源開關。
IPM的基本功能如圖3所示。
圖3. IPM的基本功能。
電流檢測方法IPM使用許多不同的方法來檢測IGBT電流。
一些IPM使IGBT電流流過外部并聯電阻器,以產生與器件電流成比例的電壓。
IC將該電壓與預設閾值進行比較,以檢測過流情況。
圖4給出了DIPIPM的簡化框圖,它基于并聯電流檢測電阻器。
在這種情況下,在通過IC的CIN引腳進行監視之前,將檢測RSHUNT兩端的電壓并進行低通濾波。
圖4. DIPIPM的簡化框圖。
圖片由Powerex提供。
用于過電流檢測的另一種技術稱為去飽和檢測,該方法基于監視IGBT集電極電壓。
在正常操作期間,IGBT的集電極-發射極電壓非常低(通常為1V至4V)。
但是,如果發生短路,則IGBT集電極-發射極電壓將增加。
因此,該電壓可用于檢測過電流情況。
去飽和方法的缺點在于,當檢測短路情況時,它通常會在IGBT中產生高功耗。
IGBT軟關斷監控設備電流的反饋回路應能夠快速檢測到過電流情況。
但是,希望在檢測到過電流之后緩慢關閉IGBT。
實現此軟關斷以抑制破壞性的浪涌電壓。
上面提到的論文討論了當關閉260A的短路集電極電流時,軟關斷可以將集電極-發射極之間的峰值電壓降低30%。
IPM的其他共同特征除了上述的短路檢測外,還包括其他自保護功能。
過熱和欠壓保護是IPM中的兩個常用功能。
欠壓功能監視IPM控制電路的電源是否超出公差范圍。
當電源電壓超過預設閾值時,欠壓功能將關閉電源。
這樣做是為了避免以可能造成災難性后果的主動(或線性)工作模式操作IGBT。