講座導(dǎo)語(yǔ)

DIPIPM^TM^是雙列直插型智能功率模塊的簡(jiǎn)稱(chēng)，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車(chē)空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM^TM^的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)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(chǎn)品。

1.1 功率半導(dǎo)體概述

1.1.1 功率半導(dǎo)體的定義

功率半導(dǎo)體又稱(chēng)作電力半導(dǎo)體，是用來(lái)對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對(duì)電路進(jìn)行控制，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形?幅值?相位?頻率等參數(shù)的一種半導(dǎo)體器件。一般來(lái)說(shuō)，功率半導(dǎo)體器件與非功率半導(dǎo)體器件沒(méi)有嚴(yán)格界定，例如具有1W以上的功率處理能力的半導(dǎo)體器件可以認(rèn)為是功率半導(dǎo)體器件。如整流二極管?雙極型晶體管?晶閘管?GTO ^*1^ ?功率MOSFET ^*2^ ?IGBT ^*3^ ?IPM ^*4^ ?DIPIPM ^TM^ ^*5^都是被廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件。

電力變換裝置是為了完成電力轉(zhuǎn)換，而將功率半導(dǎo)體器件及其附屬電路按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的電力變換系統(tǒng)。為了更好地理解功率半導(dǎo)體，不妨將電力變換裝置看做一匹馬，功率半導(dǎo)體器件就是馬的肌肉，用來(lái)為馬提供力量，而其它半導(dǎo)體元器件，如傳感器可以看做是馬的眼睛?鼻子?耳朵；CPU^*6^可以看做馬的大腦,如圖1所示。這匹馬的力量主要由肌肉決定的，與此類(lèi)似電力變換裝置的輸出功率大小是由功率器件決定的，如圖2所示，其單位是大家熟知的瓦特（W），功率還有一個(gè)大家不太熟知的單位馬力（hp）,1馬力相當(dāng)于一匹馬把75kg物體在1s內(nèi)提升1米高度所做的功，即1hp=735W。

正如生物進(jìn)化是由環(huán)境決定反過(guò)來(lái)又重新塑造環(huán)境一樣，功率半導(dǎo)體的誕生和進(jìn)化也是由于人類(lèi)對(duì)于電氣設(shè)備需求的不斷增加和對(duì)低成本?高性能的持續(xù)追求下完成的。而功率器件的誕生和進(jìn)化又使電氣設(shè)備及其電力變換裝置發(fā)生了本質(zhì)變化，電力變換裝置的可靠性?功能?成本?效率等各個(gè)方面又隨著新型功率半導(dǎo)體器件的誕生而不斷優(yōu)化發(fā)展。正如在家電領(lǐng)域，作為電力轉(zhuǎn)換裝置的變頻控制器最初采用的是分立功率晶體管，后來(lái)被IPM替代，而目前家電領(lǐng)域體積更小?成本更低?功能更強(qiáng)大的DIPIPM^TM^又替代了IPM成為家電變頻控制器的主流功率器件。功率半導(dǎo)體器件的每一次升級(jí)，都使變頻家電在體積?成本?可靠性?能效?噪聲等方面獲得巨大進(jìn)步。

1.1.2 功率半導(dǎo)體的分類(lèi)

功率半導(dǎo)體的分類(lèi)有多種方式，比如按照驅(qū)動(dòng)方式可分為電流控制型器件，這類(lèi)器件必須有足夠的驅(qū)動(dòng)電流才能導(dǎo)通，隨著器件容量的增加也需要更大的驅(qū)動(dòng)功率，如晶閘管?功率晶體管?GTO等；電壓控制型器件，這類(lèi)器件的開(kāi)關(guān)只需要在門(mén)極施加一定的電壓和很小的驅(qū)動(dòng)電流即可，因而電壓控制型器件只需要很小的驅(qū)動(dòng)功率，驅(qū)動(dòng)電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，如功率MOSFET?IGBT?IPM?DIPIPM^TM^等；光控型器件，這種器件一般是專(zhuān)門(mén)制造的電力半導(dǎo)體器件，其控制通過(guò)光纖和專(zhuān)用的光發(fā)射裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)非電型控制，從而提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾性，如光控晶閘管等。

按照功率器件載流子性質(zhì)來(lái)分，可以分為雙極型器件?單極型器件?混合型器件。雙極型器件的內(nèi)部存在電子和空穴兩種載流子來(lái)參與導(dǎo)電過(guò)程，其導(dǎo)通壓降低?阻斷電壓高?電流容量大?開(kāi)關(guān)頻率一般不高。如功率晶體管?GTO等；單極型器件指器件內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電過(guò)程，其開(kāi)關(guān)頻率一般較高，同時(shí)由于通態(tài)損耗相對(duì)較高，因而電流能力比雙極型器件低，適合功率較小的電力轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用，如功率MOSFET等；混合型器件，也可以稱(chēng)作復(fù)合型器件，它是由雙極型器件和單極型器件混合而成，因而兼具二者的優(yōu)勢(shì)，如耐壓高?電流密度大?導(dǎo)通壓降低，同時(shí)控制部分采用電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小?開(kāi)關(guān)速度快，如IGBT?IEGT ^*7^ ?IPM?DIPIPM^TM^等。

需要指出的是與常規(guī)的分立功率器件如功率晶體管?功率MOSFET?分立IGBT等相比，IPM?DIPIPM^TM^是一種更高層次的電力半導(dǎo)體器件，它的內(nèi)部集成了功率器件與驅(qū)動(dòng)電路?控制電路?保護(hù)電路等，使高壓大電流?發(fā)熱量高的功率器件與低壓小電流的控制電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，使功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用更簡(jiǎn)單?可靠性?集成度更高。表1是一些常用的功率半導(dǎo)體符號(hào)及基本電路。關(guān)于IPM與DIPIPM^TM^的功能介紹，以后的章節(jié)將詳細(xì)展開(kāi)。

表1 常用功率半導(dǎo)體器件符號(hào)及特點(diǎn)

1.1.3 功率半導(dǎo)體功能及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

功率半導(dǎo)體器件是各種電力變換裝置的核心，本質(zhì)上它是一種電力開(kāi)關(guān)，要求能夠在低阻狀態(tài)下流過(guò)從幾安培到幾千安培的電流，更能夠在毫秒甚至微秒時(shí)間內(nèi)對(duì)高達(dá)數(shù)千伏高電壓?數(shù)千安培的大電流進(jìn)行切斷，通過(guò)多個(gè)功率半導(dǎo)體器件按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，在CPU的控制下，就能把電力按照負(fù)載所需進(jìn)行變換，其基本功能框圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 電力變換裝置功能框圖

一般來(lái)說(shuō)電力變換裝置的功能有4種基本型式，即直-交（DC/AC）逆變模式?交-交（AC-AC）變頻模式?交-直（AC-DC）整流模式和直-直（DC-DC）變換模式。圖4是一種通用變頻器常用的AC-DC-AC電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)圖4的電力轉(zhuǎn)換裝置,來(lái)自電網(wǎng)的固定頻率?電壓的電能被轉(zhuǎn)換成了可以被負(fù)載利用的頻率?電壓可調(diào)的電能。在此電路中，整流橋工作在工頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，需要承受大電流沖擊；而用于剎車(chē)保護(hù)的IGBT與反向功率二極管工作在間歇模式，只有母線(xiàn)電壓超過(guò)一定值時(shí)發(fā)揮作用，來(lái)防止母線(xiàn)過(guò)壓；而逆變電路中的IGBT和反并聯(lián)二極管則工作在高電壓?大電流的高頻開(kāi)關(guān)模式，其損耗大，EMI^*8^噪聲也高。

圖4 AC-DC-AC電路拓?fù)鋱D

雖然電力轉(zhuǎn)換裝置的形式多種多樣，但一般以功率半導(dǎo)體器件?不同拓?fù)湫问降碾娐泛筒煌目刂撇呗宰鳛榛窘M成元素，因此在分析功率器件的工作狀態(tài)時(shí)，必須結(jié)合具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略來(lái)進(jìn)行。

1.1.4 功率半導(dǎo)體的發(fā)展史

從20世紀(jì)50年代算起，功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了70多年的發(fā)展，如果對(duì)功率半導(dǎo)體器件按照時(shí)間進(jìn)行梳理的話(huà)，大體經(jīng)歷了3代。第一代器件主要以功率二極管和晶閘管為代表，是功率半導(dǎo)體器件發(fā)展早期的主要器件。第二代器件主要以GTO?雙極型晶體管和功率MOSFET為代表。這些器件相對(duì)于第一代器件最明顯的區(qū)別是能夠進(jìn)行可控開(kāi)關(guān)。第三代功率半導(dǎo)體器件主要以IGBT?IPM? DIPIPM ^TM^ ?IGCT^*9^為代表的高性能?多功能?高集成度的新一代功率器件。20世紀(jì)90年代后期，以碳化硅（SiC）?氮化鎵（GaN）為代表的新型半導(dǎo)體材料開(kāi)始在功率器件中得到應(yīng)用，為功率半導(dǎo)體的發(fā)展開(kāi)啟了新的篇章。圖5對(duì)常見(jiàn)功率半導(dǎo)體器件的進(jìn)化歷程進(jìn)行了梳理。

圖5 功率半導(dǎo)體器件進(jìn)化路線(xiàn)圖

由圖5可以看出，功率半導(dǎo)體器件進(jìn)化的大致方向按照不可控制→電流控制→電壓控制；從小功率→中功率→大功率→超大功率；從分立器件→功率模塊→智能功率模塊→雙列直插智能功率模塊這幾條主線(xiàn)進(jìn)行。三菱電機(jī)作為知名功率半導(dǎo)體器件制造商，一直致力于功率半導(dǎo)體器件的模塊化?智能化，從上世紀(jì)90代起先后開(kāi)創(chuàng)了智能功率模塊IPM?DIPIPM^TM^等領(lǐng)域，為功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

在接下來(lái)的章節(jié)中，我們將重點(diǎn)圍繞三菱電機(jī)DIPIPM^TM^產(chǎn)品及應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)介紹，下面的內(nèi)容更精彩，敬請(qǐng)期待！

本講總結(jié)：

1）功率半導(dǎo)體器件是用來(lái)對(duì)電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，改變電力變換裝置中的電壓或電流的波形?幅值?相位?頻率等參數(shù)的一種半導(dǎo)體器件。

2）整流二極管?雙極型晶體管?晶閘管?GTO?功率MOSFET?IGBT?IPM?DIPIPM^TM^都是目前被廣泛應(yīng)用的功率半導(dǎo)體器件。

3）功率半導(dǎo)體器件的工作方式與其在電路拓?fù)渲兴幍奈恢妹芮邢嚓P(guān)。

4）IPM?DIPIPM^TM^是一種新型功率半導(dǎo)體器件，由IGBT進(jìn)化而來(lái)，是比IGBT更高層次?功能更為強(qiáng)大的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件。

*號(hào)術(shù)語(yǔ)列表

*1: GTO→門(mén)極關(guān)斷晶閘管（Gate turn off Thyristor）

*2: MOSFET→金屬場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）

*3: IGBT→絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）

*4: IPM→智能功率模塊（ Intelligent Power Module）

*5: DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；DIPIPM^TM^是三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。

*6: CPU→中央處理器（Central Processing Unit)

*7: IEGT→電子注入增強(qiáng)型柵極晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor)

*8: EMI:→電磁干擾（Electromagnetic Interference）

*9: IGCT→集成門(mén)極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor）