三菱智能功率模块IPM的结构与特点

1.IPM的结构
IPM是Intelligent Power Module的缩写，是一种先进的功率开关器件，兼有GTR（大功率晶体管）高电流密度、低饱和电压和高耐压的优点，以及MOSFET（场效应晶体管）高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且1PM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积，缩短了开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向， IPM在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。
日本三菱公司的模块代表当今模块技术的发展水平。该公司自20世纪80 年代末就致力于研究开发带智能保护功能的功率模块。目前已生产出用于110kW变频器的IPM模块，居世界领先水平。
IPM 等于IGBT+驱动十保护（过流、短路、超温、欠压）+制动，IPM中的每个功率组件都设置有各自独立的驱动电路和多种保护电路，能够实现过电流、短路电流、控制电压降低及过热保护等功能。一旦发生负载事故或使用不当等异常情况，模块内部即以最快的速度进行保护，同时将保护信号送给外部CPU进行第二次保护。这种多重保护措施可保证IPM自身不受损坏，与IGBT模块相比，可靠性显著提高。而且，IPM的开关损耗、转换效率都优于IGBT模块。IPM的出现解决了长期困扰人们的模块损坏的难题，使采用功率器件的设备的可靠性显著提高。
IPM 由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图1所示。IPM内部设有栅极驱动控制电路、故障检测电路和各种保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片。这样，第三代IGBT芯片带有许多起电流传感器作用的小单元。这些小单元的信号反馈到一个比较器上，以监测IGBT的主电流。内部的故障保护电路则用来检测过流、过热及欠压等故障。这些非正常运行状态出现时，IPM就会自动关断，同时通过驱动板的光学传感器向控制板发送故障信号。

图1 D型IPM的结构及IGBT的等效电路

IPM中IGBT芯片的UCE（sat）可降到 1.8V，且具有如下特性：
①饱和压降和开关速度之间的关系达到最优化。
②具有足够的安全工作区，能很好地满足由控制集成电路给出的保护范围。
③采用电流传感器单元设计。
在高频供电系统中，续流二极管(FWD)的特性对开通损耗和浪涌电压影响很大，为了减少这种影响，要求续流二极管具有快而软的反向恢复特性。反向恢复电流由通态时PN结的少数载流子的密度决定。但是恢复电荷和通态电压是相互制约的，通过协调两者之间的关系，可获得比较好的恢复恃性。
IPM根据内部功率电路配置的不同可分为4类：H型(内部封装一个IGBT)、D型（内部封装两个IGBT)、c型(内部封装6个IGBT)和R型(内部封装7个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。IPM的功能框图如图2所示。IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。

图2 IPM的功能框图

2.IPM的特点
①与IGBT模块相比，在相同的条件下IPM不易损坏。IPM相对于IGBT的改进措施见表1。

表1 IPM相对于IGBT的改进措施

IGBT模块		IPM模块
IGBT损坏的主要原因	结果	IPM的改进措施	结果
短路电流、桥臂短路等	损坏器件	短路电流、过电流保护	不损坏的IPM
温度异常		超温保护
驱动条件不完善、静电破坏、控制电压低、基极电流小，基极（栅极）振荡，栅极过压故障		最佳设计的驱动专用集成电路、欠压保护、内藏无连线驱动装置

②不需要对模块采取防静电措施。
③内置输入整形驱动电路、保护电路（过流、短路、欠压、超温）以及制动电路，大大减少了外围组件数目，减少了因组件失效造成的故障，进一步提高了可靠性。三菱IPM模块1200V系列产品及其内置保护功能见表2。

表2 三菱IPM模块 1200V系列产品及其内置保护功能（适用3× 400V电机）

模块型号	通用电机（kW）	过流保护	短路保护	欠压保护	超温保护
PM10RSH120-0. 75	0.75	有	有	有	有
PM10RSH120-1.5	1.5	有	有	有	有
PM15RSH120-2. 2	2.2	有	有	有	有
PM25RSB120-3. 7	3.7	有	有	有	有
PM50RSA120-5. 5	5.5	有	有	有	有
PM50RSA120-7. 5	7.5	有	有	有	有
PM50RSH120-1l	11	有	有	有	有
PM75CSA120-15	15	有	有	有	有
PM100CSA120-18.5	18.5	有	有	有	有
PM100CSA120-22	22	有	有	有	有
PMISODSA120 × 3-30	30	有	有	有	有
PM200DSA120× 3-37	37	有	有	有	有
PM200DSA120 × 3-45	45	有	有	有	有
PM400HSA120 × 6-75	75	有	有	有	有
PM600HSA120× 6-110	110	有	有	有	有