什么是IPM(Intelligent Power Module)

IPM(Intelligent Power Module),即智能功率模块,不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内部集成有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件,内部集成电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性,使用方便赢得越来越大的市场,尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源,是变频调速,冶金机械,电力牵引,伺服驱动,变频家电的一种非常理想的电力电子器件。

应用领域

IPM与以往IGBT模块及驱动电路的组件相比具有如下特点:

(1)内含驱动电路。设定了最佳的IGBT驱动条件,驱动电路与IGBT间的距离很短,输出阻抗很低,因此,不需要加反向偏压。所需电源为下桥臂1组,上桥臂3组,共4组。

(2)内含过电流保护(OC)、短路保护(SC)。由于是通过检测各IGBT集电极电流实现保护的,故不管哪个IGBT发生异常,都能保护,特别是下桥臂短路和对地短路的保护。

(3)内含驱动电源欠电压保护(UV)。每个驱动电路都具有UV保护功能。当驱动电源电压UCC小于规定值UV时,产生欠电压保护。

(4)内含过热保护(OH)OH是防止IGBTFRD(快恢复二极管)过热的保护功能。IPM内部的绝缘基板上没有温度检测元件来检测绝缘基板温度Tcoh(IGBTFRD芯片异常发热后的保护动作时间比较慢)RIPM进一步在各IGBT芯片内设有温度检测元件,对于芯片的异常发热能高速实现OH保护。

(5)内含报警输出(ALM)ALM是向外部输出故障报警的一种功能,当OH及下桥臂OCTjohUV保护动作时,通过向控制IPM的微机输出异常信号,能切实停止系统。

典型内部电路图

在IPM行业内主要有三种主流架构,所有企业的IPM都是在这三种架构的基础上衍生而来。

CIS结构IPM示意图

上图所示架构称为CIS(Copper Insulated Substrate,铜绝缘基板),其制造方法是:在一片具有特定走线形状的铜框架上贴装控制IC和功率元件并绑定金属线,然后放置在涂覆半融态绝缘胶的铜板上,一体模制成型。

(IMS结构IPM示意图)

上图所示架构称为IMS(Insulated Metal Substrate,绝缘金属基板),其制造方法是:在铝基板表面压合绝缘层,并在绝缘层表面压合并刻蚀出具有特定走线形状的铜箔,在铜箔上贴装控制IC、功率元件和引脚并绑定金属线,然后一体模制成型。

DBC结构IPM示意图

上图所示架构称为DBC(Direct Bonding Copper,铜直接粘合),其制造方法是:在陶瓷基板两面压合铜箔,其中一面形成特定形状,并在该面装配具有特定走线形状的铜框架,再在铜框架上贴装控制IC、功率元件,然后一体模制成型。

可扩展性方面,由于CIS架构和DBC架构都使用铜框架形成特定走线形状,受限于铜框架成型工艺,很难制造出复杂的电路,而且一旦需要修改,就必须重新开模;而IMS架构则基于铜箔进行电路布局,可以绘制出类似PCB的电路版图,可扩展性强,修改成本低。

工艺复杂性方面,CIS制造的工艺步骤虽然相对简单,但对半融态绝缘胶的模制固化的工艺难度较大;IMS架构和DBC架构的制造工艺步骤类似,但因为IMS架构使用铝质基板,加工过程中容易发生变形,所以相对DBC架构,IMS架构对工装夹具、工位传送等的要求更高。

原材料成本方面,CIS架构的半融态绝缘胶在国内几乎没有能够制作的厂商,进口材料价格昂贵;IMS架构和DBC架构主要是基材的区别,前者使用铝材,后者使用陶瓷,原材料成本相当。

散热性方面,CIS架构和IMS架构都是通过“高分子绝缘材料+金属材料”的方式进行散热,散热性能相当;而DCB架构使用“陶瓷基板+金属材料”的方式进行散热,可以使功率元件获得更低的热阻。

正是由于三种架构的IPM各具优点,所以三种架构都有相当数量的追随者,三种结构的使用厂家如下表所示。

CIS架构

IMS架构

DBC架构

三菱电机、三垦电气

LSPS

三洋电机、三星电子

国际整流器IR

仙童半导体、意法半导体

英飞凌

而这些追随者又在原架构的基础上有所发展,如在CIS架构和DBC架构中加入PCB以提高可扩展性,使IMS架构的铝基板外露以提高散热性等。

作者:极客石头

在搞事情的路上越走越远。

发表评论

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注