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（2）

1.2.3. IGBT模塊定義及應用基礎

所謂IGBT模塊就是把兩個或兩個以上的IGBT芯片按照一定的拓撲結構進行連接，與輔助電路一起被封裝到同一絕緣樹脂外殼內而形成的IGBT組件。與分立的IGBT相比，具有體積小?重量輕?結構緊湊?可靠性高?外部接線簡單?便于維修安裝的諸多優點，同時IGBT模塊封裝的標準化設計使用戶在選用IGBT模塊時自由度更大。IGBT模塊在中大功率的電力變換裝置中占有主要地位。圖9?圖10分別是2單元及6單元IGBT模塊的圖片及拓撲結構圖。

相比較分立IGBT，采用IGBT模塊的電力變換裝置在集成度?結構的緊湊性?安裝的維修便利方面有了很大提高，同時由于內部封裝的多個IGBT共用同一散熱器，因此在散熱器設計方面，與分立IGBT相比難度較低，由圖11可以看出，整個IGBT模塊可以和整流橋共用一個散熱器，散熱系統簡單?緊湊。但在驅動電路設計方面與分立IGBT相比沒有明顯改善，圖12是光耦驅動的IGBT模塊的驅動示意圖，IGBT模塊驅動需要設計較為復雜的驅動及保護電路?需要較長的設計及驗證時間。在發生過流?短路?欠壓?過溫等故障時，若不能及時保護，IGBT模塊會發生損壞，嚴重影響電力變換裝置的可靠性，這也限制了IGBT模塊在某些需要高可靠性領域的應用。

1.2.4. IPM定義及應用基礎

IPM即Intelligent Power Module(智能功率模塊)的縮寫，它是通過優化設計將IGBT連同其驅動電路和多種保護電路封裝在同一模塊內，使電力變換裝置的設計者從繁瑣的IGBT驅動和保護電路設計中解脫出來，大大降低了功率半導體器件的應用難度，縮短了設計周期，同時提高了系統的可靠性。

IGBT從誕生之日起就在電力變換的各個領域發揮重要作用，從傳統的家用電器?工業變頻器?電源逆變器?電焊機等領域到新型的高鐵?機器人?高壓輸變電?電動汽車等新型領域都能看到IGBT的身影，這些新型領域對于IGBT可靠性要求也越來越高，由于IGBT器件的固有特性，當出現過流?短路?過壓時如不能及時保護，往往在十幾微秒乃至數微秒內就會導致IGBT損壞，造成電力變換系統停機事故。為了解決IGBT在驅動保護?可靠性方面的不足，上世紀九十年代，三菱電機的工程師們提出了IPM的概念，把驅動和多種保護電路封裝在同一模塊，以改善IGBT驅動保護方面的不足。IPM首先在日本市場研發成功并量產，之后在工業變頻器、伺服驅動器以及變頻空調器上得到了廣泛應用，獲得了極大成功，成為又一種具有劃時代意義的新型功率半導體器件。

下圖13是IPM模塊相較IGBT模塊的主要技術改進點

由圖13可以看出相比較IGBT模塊，IPM應用過程中，不再需要用戶自己設計驅動保護電路，IGBT的驅動及保護由IPM內部電路來完成。圖14是一種兩單元IPM模塊圖片及內部結構圖。

IPM模塊內置驅動保護電路, 驅動電路的內置，使用戶在應用時，不必再設計需要正負電源的IGBT驅動電路，也不需要設計短路電流檢測電路?過溫保護電路，這將大大簡化PCB設計時間，同時對整個電力變換裝置的評估時間也大大縮短，有助于用戶迅速推出新產品。除了短路保護?過溫保護功能外，IPM還具有控制電源欠壓保護?故障信號輸出功能，完善的保護功能，使采用了IPM的電力變換裝置的可靠性得到大幅提高。特別是對性能?可靠性要求高的領域，如電梯變頻器?UPS電源?伺服控制器等都在廣泛應用IPM。在散熱設計上，IPM的內部IGBT單元可以共用同一散熱器，并且內置IGBT芯片溫度傳感器，可以對6個IGBT芯片的溫度進行實時監控，在發生過溫時及時關閉IGBT并給出故障信號，從而使IPM在熱設計方面比IGBT模塊更可靠。IPM可靠性提高付出的代價是設計制造相對復雜，成本較高，圖15是一種6單元IPM內部結構圖。

1.2.5 . DIPIPMTM定義及特點

在第一講中，我們了解了功率器件的分類及其發展的歷史，在本講中重點介紹了IGBT及IPM的概念?應用要點?分立IGBT→IGBT模塊→IPM的進化過程。以上這些功率半導體器件基礎知識的介紹，是為了更好地理解后面講座中重點介紹的產品DIPIPMTM及其應用，DIPIPMTM是雙列直插智能功率模塊的英文縮寫，可以說DIPIPMTM是一種小型化的IPM。它采用了壓注模封裝，內置了HVIC，外圍電路變得更加簡單而節約成本，與IPM相比擁有許多自己的特點，下圖16給出了DIPIPMTM與IPM應用電路對比，對于DIPIPMTM其內置了HVIC,應用電路中不再需要光耦進行隔離，采用自舉電路，只需要單路15V控制電源即可。圖17給出了DIPIPMTM與IPM內部電路結構及優缺點對比，相比IPM，DIPIPMTM更易于設計使用，成本更低，特別適合大批量制造及應用。

DIPIPMTM的發展可以追溯到上世紀90年代，并且隨著小功率變頻應用的發展而不斷發展壯大，特別是在變頻家電領域，更是占據了極高的市場份額。接下來的講座中，將重點圍繞DIPIPMTM的發展歷史→結構特點→選型原則→電路設計→評價方法→健康管理→生產管理→應用技巧等方方面面展開詳細討論，敬請期待…

本講總結：

1） IGBT芯片是IGBT分立器件?IGBT模塊?IPM?DIPIPMTM等關聯器件的核心，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。
2） 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。
3） IGBT模塊驅動需要設計較為復雜的驅動及保護電路?需要較長的設計及驗證時間。
4） IPM是通過優化設計將IGBT連同其驅動電路和多種保護電路封裝在同一模塊內，大大降低了功率半導體器件的應用難度，縮短了設計周期，同時提高了系統的可靠性。
5） DIPIPM是雙列直插智能模塊的英文縮寫，可以說DIPIPM是一種小型化的IPM，但與IPM相比，又有許多自己的特點，更易于使用，成本更低。

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》

審核編輯 黃宇