采用 BJT、MOSFET 和 IGBT 的智能电源模块

出处:维库电子市场网 发布于:2024-07-10 17:24:15 | 260 次阅读

  功率 BJT 具有理想的导通状态传导性能;然而,它们是电流控制器件,需要复杂的基极驱动电路。由于功率 MOSFET 是电压控制器件,我们需要更简单的驱动电路。然而,功率 MOSFET 的主要挑战是其导通状态电阻会随着器件击穿电压的增加而增加。在额定电压超过 200 V 时,与 BJT 相比,MOSFET 的传导性能较差。

  IGBT 结合了这两个领域的优点,实现了高性能电源开关:它既具有 MOSFET 的驱动简易性,又具有 BJT 的导通特性。IGBT 的主要问题是寄生 PNPN(晶闸管)结构,这可能导致设备故障。图 1 说明了这种寄生晶闸管的产生。

  穿通 (PT) IGBT 的垂直横截面和等效电路模型。图片由 STMicroelectronics 提供。
  图 1.穿通 (PT) IGBT 的垂直横截面和等效电路模型。图片由STMicroelectronics提供。
  根据器件关断时的电流密度和电压变化率 (dvdt),寄生晶闸管可能会导通并导致器件故障(闩锁)。在这种情况下,IGBT 电流不再受栅极电压控制。闩锁电流如图 2 所示。

  图片由意法半导体提供。

  图 2. 闩锁电流。图片由STMicroelectronics提供。
  请注意,BJT 的体区电阻和增益是环境温度的函数,并且器件在高温下更容易受到闩锁的影响。
  智能功率模块 (IPM) 的基本概念
  多年来,IGBT 制造商不断改进器件物理特性,以实现更好的功率开关,这些开关能够承受相对较大的电流密度,而不会发生闩锁故障。
  一些制造商没有优化设备性能,而是决定在现有的 IGBT 上添加一些控制电路,以防止其闩锁。该控制电路与 IGBT 集成在一起,是一个具有电流感应功能的反馈回路。它监控设备的电流密度,以便在发生过流/短路情况时关闭设备。这种反馈机制导致了一种“智能”电源开关,它可以保护自己免受故障情况的影响。图 3 说明了 IPM 的这一基本功能。

  图片由 Wiley InterScience 提供。

  图 3. IPM 的基本功能。图片由 Wiley InterScience提供。
  电流检测方法
  IPM 采用多种不同的方式感测 IGBT 电流。一些 IPM 将 IGBT 电流通过外部分流电阻,以产生与器件电流成比例的电压。IC 将此电压与预设阈值进行比较,以检测过流情况。图 4 显示了基于分流电流感测电阻的DIPIPM的简化框图。在这种情况下,RSHUNT 两端的电压被感测并经过低通滤波,然后由 IC 的 CIN 引脚进行监控。

  图片由 Powerex 提供。

  图 4. DIPIPM 的简化框图。图片由Powerex提供。
  另一种过流检测技术称为去饱和检测,它基于对 IGBT 集电极电压的监控。在正常运行期间,IGBT 的集电极-发射极电压非常低(通常为 1 V 至 4 V)。但是,如果发生短路,IGBT 集电极-发射极电压会增加。因此,可以使用该电压来检测过流情况。
  去饱和方法的缺点是,在检测短路情况时,它通常会导致 IGBT 中出现高耗散。
  IGBT 软关断
  监控器件电流的反馈回路应该能够快速检测到过流情况。然而,在检测到过流后,需要缓慢关闭 IGBT。实施这种软关断是为了抑制破坏性的浪涌电压。上述论文讨论了软关断在关闭 260 A 的短路集电极电流时可以将集电极 - 发射极峰值电压降低 30%。
  其他常见特征
  除了上述的短路检测功能外,IPM 还具有其他自我保护功能。过热和欠压保护是 IPM 中常见的两种功能。
  欠压功能可监控 IPM 控制电路的电源是否超出容差范围。当电源电压超过预设阈值时,欠压功能会关闭电源设备。这样做是为了避免 IGBT 处于有源(或线性)操作模式,否则可能会造成灾难性的后果。
  当芯片温度超过阈值温度时,过温功能会关闭功率设备。
  包装
  先进封装是构建高性能 IPM 的关键,这些 IPM 需要在同一混合 IC 封装内实现栅极驱动器、传感逻辑和功率半导体。与单片 IC 明显不同,混合 IC 将晶体管、单片 IC、电阻器、电感器和电容器等各个组件放置在单个封装中。这些组件粘合到封装内的基板或印刷电路板 (PCB) 上。

  图片由安森美半导体提供。

  图 5. IPM 所需的内部组件。图片由安森美半导体提供。
  IPM 的额定电压高达 600 V,额定电流高达 100 A。随着功率水平的提高,封装散热能力变得越来越重要。功率模块的基板通常在 150-200 °C 的温度下工作。因此,基板应具有高导热性,以便我们可以在紧凑的封装内将高功率元件紧密靠近。这就是为什么新材料和先进的封装技术可以显著影响功率半导体模块的尺寸、重量和性能的原因。
  IPM 回顾
  IPM IC 采用内置驱动电路,以使现有 IGBT 设备发挥出最佳性能。

  图片由 Jong Mun Park 提供。

  图 6. IPM 和 ASIPM 的关键概念。图片由Jong Mun Park提供。
  IPM 具有多种自我保护功能,例如过流、过热和欠压检测。我们看到现代 IPM 需要高性能功率开关、优化的控制电路和先进的封装技术。
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