功率 BJT 具有理想的導(dǎo)通狀態(tài)傳導(dǎo)性能；然而，它們是電流控制器件，需要復(fù)雜的基極驅(qū)動電路。由于功率 MOSFET 是電壓控制器件，我們需要更簡單的驅(qū)動電路。然而，功率 MOSFET 的主要挑戰(zhàn)是其導(dǎo)通狀態(tài)電阻會隨著器件擊穿電壓的增加而增加。在額定電壓超過 200 V 時，與 BJT 相比，MOSFET 的傳導(dǎo)性能較差?！　GBT 結(jié)合了這兩個領(lǐng)域的優(yōu)點，實現(xiàn)了高性能電源開關(guān)：它既具有 MOSFET 的驅(qū)動簡易性，又具有 BJT 的導(dǎo)通特性。IGBT 的主要問題是寄生 PNPN（晶閘管）結(jié)構(gòu)，這可能導(dǎo)致設(shè)備故障。圖 1 說明了這種寄生晶閘管的產(chǎn)生。

　　穿通 (PT) IGBT 的垂直橫截面和等效電路模型。圖片由 STMicroelectronics 提供。
　　圖 1.穿通 (PT) IGBT 的垂直橫截面和等效電路模型。圖片由STMicroelectronics提供。
　　根據(jù)器件關(guān)斷時的電流密度和電壓變化率 (dvdt)，寄生晶閘管可能會導(dǎo)通并導(dǎo)致器件故障（閂鎖）。在這種情況下，IGBT 電流不再受柵極電壓控制。閂鎖電流如圖 2 所示。　　圖片由意法半導(dǎo)體提供。

　　圖 2. 閂鎖電流。圖片由STMicroelectronics提供。
　　請注意，BJT 的體區(qū)電阻和增益是環(huán)境溫度的函數(shù)，并且器件在高溫下更容易受到閂鎖的影響。
　　智能功率模塊 (IPM) 的基本概念
　　多年來，IGBT 制造商不斷改進(jìn)器件物理特性，以實現(xiàn)更好的功率開關(guān)，這些開關(guān)能夠承受相對較大的電流密度，而不會發(fā)生閂鎖故障。
　　一些制造商沒有優(yōu)化設(shè)備性能，而是決定在現(xiàn)有的 IGBT 上添加一些控制電路，以防止其閂鎖。該控制電路與 IGBT 集成在一起，是一個具有電流感應(yīng)功能的反饋回路。它監(jiān)控設(shè)備的電流密度，以便在發(fā)生過流/短路情況時關(guān)閉設(shè)備。這種反饋機(jī)制導(dǎo)致了一種“智能”電源開關(guān)，它可以保護(hù)自己免受故障情況的影響。圖 3 說明了 IPM 的這一基本功能?！　D片由 Wiley InterScience 提供。

　　圖 3. IPM 的基本功能。圖片由 Wiley InterScience提供。
　　電流檢測方法
　　IPM 采用多種不同的方式感測 IGBT 電流。一些 IPM 將 IGBT 電流通過外部分流電阻，以產(chǎn)生與器件電流成比例的電壓。IC 將此電壓與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，以檢測過流情況。圖 4 顯示了基于分流電流感測電阻的DIPIPM的簡化框圖。在這種情況下，RSHUNT 兩端的電壓被感測并經(jīng)過低通濾波，然后由 IC 的 CIN 引腳進(jìn)行監(jiān)控?！　D片由 Powerex 提供。

　　圖 4. DIPIPM 的簡化框圖。圖片由Powerex提供。
　　另一種過流檢測技術(shù)稱為去飽和檢測，它基于對 IGBT 集電極電壓的監(jiān)控。在正常運(yùn)行期間，IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓非常低（通常為 1 V 至 4 V）。但是，如果發(fā)生短路，IGBT 集電極-發(fā)射極電壓會增加。因此，可以使用該電壓來檢測過流情況。
　　去飽和方法的缺點是，在檢測短路情況時，它通常會導(dǎo)致 IGBT 中出現(xiàn)高耗散。
　　IGBT 軟關(guān)斷
　　監(jiān)控器件電流的反饋回路應(yīng)該能夠快速檢測到過流情況。然而，在檢測到過流后，需要緩慢關(guān)閉 IGBT。實施這種軟關(guān)斷是為了抑制破壞性的浪涌電壓。上述論文討論了軟關(guān)斷在關(guān)閉 260 A 的短路集電極電流時可以將集電極 - 發(fā)射極峰值電壓降低 30%。
　　其他常見特征
　　除了上述的短路檢測功能外，IPM 還具有其他自我保護(hù)功能。過熱和欠壓保護(hù)是 IPM 中常見的兩種功能。
　　欠壓功能可監(jiān)控 IPM 控制電路的電源是否超出容差范圍。當(dāng)電源電壓超過預(yù)設(shè)閾值時，欠壓功能會關(guān)閉電源設(shè)備。這樣做是為了避免 IGBT 處于有源（或線性）操作模式，否則可能會造成災(zāi)難性的后果。
　　當(dāng)芯片溫度超過閾值溫度時，過溫功能會關(guān)閉功率設(shè)備。
　　包裝
　　先進(jìn)封裝是構(gòu)建高性能 IPM 的關(guān)鍵，這些 IPM 需要在同一混合 IC 封裝內(nèi)實現(xiàn)柵極驅(qū)動器、傳感邏輯和功率半導(dǎo)體。與單片 IC 明顯不同，混合 IC 將晶體管、單片 IC、電阻器、電感器和電容器等各個組件放置在單個封裝中。這些組件粘合到封裝內(nèi)的基板或印刷電路板 (PCB) 上?！　D片由安森美半導(dǎo)體提供。

　　圖 5. IPM 所需的內(nèi)部組件。圖片由安森美半導(dǎo)體提供。
　　IPM 的額定電壓高達(dá) 600 V，額定電流高達(dá) 100 A。隨著功率水平的提高，封裝散熱能力變得越來越重要。功率模塊的基板通常在 150-200 °C 的溫度下工作。因此，基板應(yīng)具有高導(dǎo)熱性，以便我們可以在緊湊的封裝內(nèi)將高功率元件緊密靠近。這就是為什么新材料和先進(jìn)的封裝技術(shù)可以顯著影響功率半導(dǎo)體模塊的尺寸、重量和性能的原因。
　　IPM 回顧
　　IPM IC 采用內(nèi)置驅(qū)動電路，以使現(xiàn)有 IGBT 設(shè)備發(fā)揮出最佳性能?！　D片由 Jong Mun Park 提供。

　　圖 6. IPM 和 ASIPM 的關(guān)鍵概念。圖片由Jong Mun Park提供。
　　IPM 具有多種自我保護(hù)功能，例如過流、過熱和欠壓檢測。我們看到現(xiàn)代 IPM 需要高性能功率開關(guān)、優(yōu)化的控制電路和先進(jìn)的封裝技術(shù)。