智能功率模塊（IPM）是一種功率半導(dǎo)體模塊，將操作IGBT所需的所有電路集成到一個(gè)封裝中。它包括所需的驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)功能，以及IGBT。
這樣，利用現(xiàn)有的IGBT技術(shù)可以獲得最佳性能。過電流，過熱和欠壓檢測(cè)是IPM中的三種常見的自保護(hù)功能。
在本文中，我們將研究該技術(shù)的一些基本概念，并了解IPM如何從可用的IGBT器件中提取最佳性能。電源BJT，MOSFET和IGBT電源BJT具有理想的導(dǎo)通狀態(tài)傳導(dǎo)性能；但是，它們是電流控制的設(shè)備，需要復(fù)雜的基本驅(qū)動(dòng)電路。
由于功率MOSFET是壓控器件，因此我們需要一個(gè)更簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)電路。但是，功率MOSFET的主要挑戰(zhàn)是其導(dǎo)通電阻隨器件的擊穿電壓而增加。
當(dāng)額定電壓高于200V時(shí)，與BJT相比，MOSFET的導(dǎo)電性較差。 IGBT結(jié)合了這兩個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高性能的功率開關(guān)：它具有BJT導(dǎo)通特性，并且可以輕松驅(qū)動(dòng)MOSFET。
IGBT的主要問題是寄生PNPN（晶閘管）結(jié)構(gòu)，這可能會(huì)導(dǎo)致器件故障。圖1說明了這種寄生晶閘管的產(chǎn)生。
圖1.穿通（PT）IGBT的垂直橫截面和等效電路模型。圖片由意法半導(dǎo)體提供。
根據(jù)器件關(guān)閉時(shí)的電流密度和電壓變化率（dv / dt），寄生晶閘管將導(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。
鎖存電流如圖2所示。圖2.鎖存電流。
請(qǐng)注意，體電阻和BJT增益是環(huán)境溫度的函數(shù)，并且該器件在高溫下更容易閂鎖。智能功率模塊（IPM）的基本概念多年來，IGBT制造商已經(jīng)改善了器件的物理性能，以實(shí)現(xiàn)更好的功率開關(guān)，該功率開關(guān)可以承受較大的電流密度而不會(huì)發(fā)生閂鎖故障。
一些制造商決定不優(yōu)化器件性能，但決定向可用的IGBT添加一些控制電路，以防止它們閉鎖。控制電路與IGBT集成在一起，是具有電流感應(yīng)功能的反饋回路。
當(dāng)發(fā)生過電流/短路情況時(shí)，它將監(jiān)視設(shè)備的電流密度以關(guān)閉設(shè)備。該反饋機(jī)制導(dǎo)致“智能”反饋。
可以保護(hù)自身免受故障條件影響的電源開關(guān)。 IPM的基本功能如圖3所示。
圖3. IPM的基本功能。電流檢測(cè)方法IPM使用許多不同的方法來檢測(cè)IGBT電流。
一些IPM使IGBT電流流過外部并聯(lián)電阻器，以產(chǎn)生與器件電流成比例的電壓。 IC將該電壓與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，以檢測(cè)過流情況。
圖4給出了DIPIPM的簡(jiǎn)化框圖，它基于并聯(lián)電流檢測(cè)電阻器。在這種情況下，在通過IC的CIN引腳進(jìn)行監(jiān)視之前，將檢測(cè)RSHUNT兩端的電壓并進(jìn)行低通濾波。
圖4. DIPIPM的簡(jiǎn)化框圖。圖片由Powerex提供。
用于過電流檢測(cè)的另一種技術(shù)稱為去飽和檢測(cè)，該方法基于監(jiān)視IGBT集電極電壓。在正常操作期間，IGBT的集電極-發(fā)射極電壓非常低（通常為1V至4V）。
但是，如果發(fā)生短路，則IGBT集電極-發(fā)射極電壓將增加。因此，該電壓可用于檢測(cè)過電流情況。
去飽和方法的缺點(diǎn)在于，當(dāng)檢測(cè)短路情況時(shí)，它通常會(huì)在IGBT中產(chǎn)生高功耗。 IGBT軟關(guān)斷監(jiān)控設(shè)備電流的反饋回路應(yīng)能夠快速檢測(cè)到過電流情況。
但是，希望在檢測(cè)到過電流之后緩慢關(guān)閉IGBT。實(shí)現(xiàn)此軟關(guān)斷以抑制破壞性的浪涌電壓。
上面提到的論文討論了當(dāng)關(guān)閉260A的短路集電極電流時(shí)，軟關(guān)斷可以將集電極-發(fā)射極之間的峰值電壓降低30％。 IPM的其他共同特征除了上述的短路檢測(cè)外，還包括其他自保護(hù)功能。
過熱和欠壓保護(hù)是IPM中的兩個(gè)常用功能。欠壓功能監(jiān)視IPM控制電路的電源是否超出公差范圍。
當(dāng)電源電壓超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，欠壓功能將關(guān)閉電源。這樣做是為了避免以可能造成災(zāi)難性后果的主動(dòng)（或線性）工作模式操作IGBT。