采用 BJT、MOSFET 和 IGBT 的智能电源模块
时间：2024-07-10 18:07:14
功率 BJT 拥有现实的导通状况传导功能；然而，它们是电流操纵器件，需求庞杂的基极驱动电路。因为功率 MOSFET 是电压操纵器件，咱们需求更简略的驱动电路。然而，功率 MOSFET 的首要挑衅是其导通状况电阻会跟着器件击穿电压的增添而增添。在额外电压跨越 200 V 时，与 BJT 相比，MOSFET 的传导功能较差。
图 1.穿通 (PT) IGBT 的垂直横截面和等效电路模子。图片由STMicroelectronics供应。
依据器件关断时的电流密度和电压变迁率 (dvdt)，寄生晶闸管可能会导通并致使器件毛病（闩锁）。在这类情况下，IGBT 电流再也不受栅极电压操纵。闩锁电流如图 2 所示。
请注意，BJT 的体区电阻和增益是环境温度的函数，而且器件在低温下更轻易遭到闩锁的影响。
智能功率模块 (IPM) 的基础观点
多年来，IGBT 制造商不息改良器件物理特点，以完成更好的功率开关，这些开关可以或许经受相对于较大的电流密度，而不会产生闩锁毛病。
一些制造商没有优化设置装备摆设功能，而是决定在现有的 IGBT 上增添一些操纵电路，以避免其闩锁。该操纵电路与 IGBT 集成在一起，是一个拥有电流感应性能的反馈回路。它监控设置装备摆设的电流密度，以便在发生过流/短路情形时封闭设置装备摆设。这类反馈机制致使了一种“智能”电源开关，它能够维护本人免受毛病情形的影响。图 3 说了然 IPM 的这一基础性能。
电流检测要领
IPM 接纳多种分歧的体式格局感测 IGBT 电流。一些 IPM 将 IGBT 电流经由过程内部分流电阻，以发生与器件电流成比例的电压。IC 将此电压与预设阈值举行比拟，以检测过流情形。图 4 表现了基于分流电流感测电阻的DIPIPM的简化框图。在这类情况下，RSHUNT 两头的电压被感测并经太低通滤波，然后由 IC 的 CIN 引脚举行监控。
另外一种过流检测手艺称为去饱和检测，它基于对 IGBT 集电极电压的监控。在失常运转时期，IGBT 的集电极-发射极电压异常低（平日为 1 V 至 4 V）。然则，假如产生短路，IGBT 集电极-发射极电压会增添。是以，能够应用该电压来检测过流情形。
去饱和要领的瑕玷是，在检测短路情形时，它通常会致使 IGBT 中涌现高耗散。
IGBT 软关断
监控器件电流的反馈回路应当可以或许倏地检测到过流情形。然而，在检测到过流后，需求飞快封闭 IGBT。实行这类软关断是为了按捺破坏性的浪涌电压。上述论文接头了软关断在封闭 260 A 的短路集电极电流时能够将集电极 - 发射极峰值电压下降 30%。
其余罕见特性
除了上述的短路检测性能外，IPM 还具有其余自我维护性能。过热和欠压维护是 IPM 中常见的两种性能。
欠压性能可监控 IPM 操纵电路的电源是不是超越容差局限。当电源电压跨越预设阈值时，欠压性能会封闭电源设置装备摆设。如许做是为了防止 IGBT 处于有源（或线性）操纵模式，不然可能会造成灾难性的前因。
当芯片温度跨越阈值温度时，过温性能会封闭功率设置装备摆设。
包装
进步前辈封装是构建高性能 IPM 的关头，这些 IPM 需要在统一混杂 IC 封装内完成栅极驱动器、传感逻辑和功率半导体。与单片 IC 显然分歧，混杂 IC 将晶体管、单片 IC、电阻器、电感器和电容器等各个组件搁置在单个封装中。这些组件粘合到封装内的基板或印刷电路板 (PCB) 上。
IPM 的额外电压高达 600 V，额外电流高达 100 A。跟着功率程度的进步，封装散热才能变得愈来愈首要。功率模块的基板通常在 150-200 °C 的温度下事情。是以，基板应拥有高导热性，以便咱们能够在紧凑的封装内将高功率元件慎密接近。这便是为何新材料和进步前辈的封装手艺能够显著影响功率半导体模块的尺寸、分量和功能的缘故原由。
IPM 回首
IPM IC 接纳内置驱动电路，以使现有 IGBT 设置装备摆设发挥出最好功能。
IPM 拥有多种自我维护性能，比方过流、过热和欠压检测。咱们看到当代 IPM 需求高性能功率开关、优化操纵电路进步前辈的封装手艺。
IGBT 连系了这两个畛域的好处，完成了高性能电源开关：它既拥有 MOSFET 的驱动简略单纯性，又拥有 BJT 的导通特点。IGBT 的首要问题是寄生 PNPN（晶闸管）布局，这大概致使设置装备摆设毛病。图 1 说了然这类寄生晶闸管的发生。
图 1.穿通 (PT) IGBT 的垂直横截面和等效电路模子。图片由STMicroelectronics供应。
依据器件关断时的电流密度和电压变迁率 (dvdt)，寄生晶闸管可能会导通并致使器件毛病（闩锁）。在这类情况下，IGBT 电流再也不受栅极电压操纵。闩锁电流如图 2 所示。
图片由意法半导体供应。
请注意，BJT 的体区电阻和增益是环境温度的函数，而且器件在低温下更轻易遭到闩锁的影响。
智能功率模块 (IPM) 的基础观点
多年来，IGBT 制造商不息改良器件物理特点，以完成更好的功率开关，这些开关可以或许经受相对于较大的电流密度，而不会产生闩锁毛病。
一些制造商没有优化设置装备摆设功能，而是决定在现有的 IGBT 上增添一些操纵电路，以避免其闩锁。该操纵电路与 IGBT 集成在一起，是一个拥有电流感应性能的反馈回路。它监控设置装备摆设的电流密度，以便在发生过流/短路情形时封闭设置装备摆设。这类反馈机制致使了一种“智能”电源开关，它能够维护本人免受毛病情形的影响。图 3 说了然 IPM 的这一基础性能。
图片由 Wiley InterScience 供应。
电流检测要领
IPM 接纳多种分歧的体式格局感测 IGBT 电流。一些 IPM 将 IGBT 电流经由过程内部分流电阻，以发生与器件电流成比例的电压。IC 将此电压与预设阈值举行比拟，以检测过流情形。图 4 表现了基于分流电流感测电阻的DIPIPM的简化框图。在这类情况下，RSHUNT 两头的电压被感测并经太低通滤波，然后由 IC 的 CIN 引脚举行监控。
图片由 Powerex 供应。
另外一种过流检测手艺称为去饱和检测，它基于对 IGBT 集电极电压的监控。在失常运转时期，IGBT 的集电极-发射极电压异常低（平日为 1 V 至 4 V）。然则，假如产生短路，IGBT 集电极-发射极电压会增添。是以，能够应用该电压来检测过流情形。
去饱和要领的瑕玷是，在检测短路情形时，它通常会致使 IGBT 中涌现高耗散。
IGBT 软关断
监控器件电流的反馈回路应当可以或许倏地检测到过流情形。然而，在检测到过流后，需求飞快封闭 IGBT。实行这类软关断是为了按捺破坏性的浪涌电压。上述论文接头了软关断在封闭 260 A 的短路集电极电流时能够将集电极 - 发射极峰值电压下降 30%。
其余罕见特性
除了上述的短路检测性能外，IPM 还具有其余自我维护性能。过热和欠压维护是 IPM 中常见的两种性能。
欠压性能可监控 IPM 操纵电路的电源是不是超越容差局限。当电源电压跨越预设阈值时，欠压性能会封闭电源设置装备摆设。如许做是为了防止 IGBT 处于有源（或线性）操纵模式，不然可能会造成灾难性的前因。
当芯片温度跨越阈值温度时，过温性能会封闭功率设置装备摆设。
包装
进步前辈封装是构建高性能 IPM 的关头，这些 IPM 需要在统一混杂 IC 封装内完成栅极驱动器、传感逻辑和功率半导体。与单片 IC 显然分歧，混杂 IC 将晶体管、单片 IC、电阻器、电感器和电容器等各个组件搁置在单个封装中。这些组件粘合到封装内的基板或印刷电路板 (PCB) 上。
图片由安森美半导体供应。
IPM 的额外电压高达 600 V，额外电流高达 100 A。跟着功率程度的进步，封装散热才能变得愈来愈首要。功率模块的基板通常在 150-200 °C 的温度下事情。是以，基板应拥有高导热性，以便咱们能够在紧凑的封装内将高功率元件慎密接近。这便是为何新材料和进步前辈的封装手艺能够显著影响功率半导体模块的尺寸、分量和功能的缘故原由。
IPM 回首
IPM IC 接纳内置驱动电路，以使现有 IGBT 设置装备摆设发挥出最好功能。
图片由 Jong Mun Park 供应。
IPM 拥有多种自我维护性能，比方过流、过热和欠压检测。咱们看到当代 IPM 需求高性能功率开关、优化操纵电路进步前辈的封装手艺。
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