IGBT/IPM/DIPIPM定义及应用基础（2）

讲座导语

DIPIPMTM是双列直插型智能功率模块的简称，由三菱电机于1997年正式推向市场，迄今已在家电、工业和汽车空调等领域获得广泛应用。本讲座主要介绍DIPIPMTM的基础、功能、应用和失效分析技巧，旨在帮助读者全面了解并正确使用该产品。

1.2 . IGBT/IPM/DIPIPMTM定义及应用基础（2）

1.2.3. IGBT模块定义及应用基础

所谓IGBT模块就是把两个或两个以上的IGBT芯片按照一定的拓扑结构进行连接，与辅助电路一起被封装到同一绝缘树脂外壳内而形成的IGBT组件。与分立的IGBT相比，具有体积小､重量轻､结构紧凑､可靠性高､外部接线简单､便于维修安装的诸多优点，同时IGBT模块封装的标准化设计使用户在选用IGBT模块时自由度更大。IGBT模块在中大功率的电力变换装置中占有主要地位。图9､图10分别是2单元及6单元IGBT模块的图片及拓扑结构图。

相比较分立IGBT，采用IGBT模块的电力变换装置在集成度､结构的紧凑性､安装的维修便利方面有了很大提高，同时由于内部封装的多个IGBT共用同一散热器，因此在散热器设计方面，与分立IGBT相比难度较低，由图11可以看出，整个IGBT模块可以和整流桥共用一个散热器，散热系统简单､紧凑。但在驱动电路设计方面与分立IGBT相比没有明显改善，图12是光耦驱动的IGBT模块的驱动示意图，IGBT模块驱动需要设计较为复杂的驱动及保护电路､需要较长的设计及验证时间。在发生过流､短路､欠压､过温等故障时，若不能及时保护，IGBT模块会发生损坏，严重影响电力变换装置的可靠性，这也限制了IGBT模块在某些需要高可靠性领域的应用。

1.2.4. IPM定义及应用基础

IPM即Intelligent Power Module(智能功率模块)的缩写，它是通过优化设计将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，使电力变换装置的设计者从繁琐的IGBT驱动和保护电路设计中解脱出来，大大降低了功率半导体器件的应用难度，缩短了设计周期，同时提高了系统的可靠性。

IGBT从诞生之日起就在电力变换的各个领域发挥重要作用，从传统的家用电器､工业变频器､电源逆变器､电焊机等领域到新型的高铁､机器人､高压输变电､电动汽车等新型领域都能看到IGBT的身影，这些新型领域对于IGBT可靠性要求也越来越高，由于IGBT器件的固有特性，当出现过流､短路､过压时如不能及时保护，往往在十几微秒乃至数微秒内就会导致IGBT损坏，造成电力变换系统停机事故。为了解决IGBT在驱动保护､可靠性方面的不足，上世纪九十年代，三菱电机的工程师们提出了IPM的概念，把驱动和多种保护电路封装在同一模块，以改善IGBT驱动保护方面的不足。IPM首先在日本市场研发成功并量产，之后在工业变频器、伺服驱动器以及变频空调器上得到了广泛应用，获得了极大成功，成为又一种具有划时代意义的新型功率半导体器件。

下图13是IPM模块相较IGBT模块的主要技术改进点

由图13可以看出相比较IGBT模块，IPM应用过程中，不再需要用户自己设计驱动保护电路，IGBT的驱动及保护由IPM内部电路来完成。图14是一种两单元IPM模块图片及内部结构图。

IPM模块内置驱动保护电路, 驱动电路的内置，使用户在应用时，不必再设计需要正负电源的IGBT驱动电路，也不需要设计短路电流检测电路､过温保护电路，这将大大简化PCB设计时间，同时对整个电力变换装置的评估时间也大大缩短，有助于用户迅速推出新产品。除了短路保护､过温保护功能外，IPM还具有控制电源欠压保护､故障信号输出功能，完善的保护功能，使采用了IPM的电力变换装置的可靠性得到大幅提高。特别是对性能､可靠性要求高的领域，如电梯变频器､UPS电源､伺服控制器等都在广泛应用IPM。在散热设计上，IPM的内部IGBT单元可以共用同一散热器，并且内置IGBT芯片温度传感器，可以对6个IGBT芯片的温度进行实时监控，在发生过温时及时关闭IGBT并给出故障信号，从而使IPM在热设计方面比IGBT模块更可靠。IPM可靠性提高付出的代价是设计制造相对复杂，成本较高，图15是一种6单元IPM内部结构图。

1.2.5 . DIPIPMTM定义及特点

在第一讲中，我们了解了功率器件的分类及其发展的历史，在本讲中重点介绍了IGBT及IPM的概念､应用要点､分立IGBT→IGBT模块→IPM的进化过程。以上这些功率半导体器件基础知识的介绍，是为了更好地理解后面讲座中重点介绍的产品DIPIPMTM及其应用，DIPIPMTM是双列直插智能功率模块的英文缩写，可以说DIPIPMTM是一种小型化的IPM。它采用了压注模封装，内置了HVIC，外围电路变得更加简单而节约成本，与IPM相比拥有许多自己的特点，下图16给出了DIPIPMTM与IPM应用电路对比，对于DIPIPMTM其内置了HVIC,应用电路中不再需要光耦进行隔离，采用自举电路，只需要单路15V控制电源即可。图17给出了DIPIPMTM与IPM内部电路结构及优缺点对比，相比IPM，DIPIPMTM更易于设计使用，成本更低，特别适合大批量制造及应用。

DIPIPMTM的发展可以追溯到上世纪90年代，并且随着小功率变频应用的发展而不断发展壮大，特别是在变频家电领域，更是占据了极高的市场份额。接下来的讲座中，将重点围绕DIPIPMTM的发展历史→结构特点→选型原则→电路设计→评价方法→健康管理→生产管理→应用技巧等方方面面展开详细讨论，敬请期待…

本讲总结：

1） IGBT芯片是IGBT分立器件､IGBT模块､IPM､DIPIPMTM等关联器件的核心，要充分发挥器件的性能，需要更好地了解器件的开通特性和关断特性及这些特性与器件寄生参数之间的关系。
2） 对于分立IGBT的实际应用来说，驱动保护设计与散热设计是其中两个最重要的技术要点，对于器件的运行乃至电力变换装置的可靠性和寿命至关重要。
3） IGBT模块驱动需要设计较为复杂的驱动及保护电路､需要较长的设计及验证时间。
4） IPM是通过优化设计将IGBT连同其驱动电路和多种保护电路封装在同一模块内，大大降低了功率半导体器件的应用难度，缩短了设计周期，同时提高了系统的可靠性。
5） DIPIPM是双列直插智能模块的英文缩写，可以说DIPIPM是一种小型化的IPM，但与IPM相比，又有许多自己的特点，更易于使用，成本更低。

主要参考文献：

[1]袁立强，赵争鸣，宋高升，王正元；《电力半导体器件原理与应用》

审核编辑 黄宇