為了提高性能并減少損耗，越來越多的電力電子設備選擇使用功率模塊來代替分立元件。根據市調機構IHS Technology的預測，到2018年，全球智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)市場的復合年均增長率接近10%，同期消費領域的年均復合增長率預計達到15.5%。面對當前市場對IPM在應用上的新需求，使得模塊小型化、低功耗、完善的保護功能，以及更高的集成度等成為了功率器件廠商在技術開發(fā)上的重中之重。

 

性能價格比成為關鍵

 

智能功率模塊在應用上所面對的主要挑戰(zhàn)在于產品的性能價格比，一般來說，電力電子研發(fā)工程師在決定采用IPM前會評估整體解決方案的成本，并會與基于IGBT模塊的方案作比較。

 

三菱電機機電(上海)有限公司半導體事業(yè)部大中國區(qū)技術總監(jiān)宋高升表示：“出于終端客戶對成本的緊迫需求，在變頻家電領域使用的DIPIPM和工業(yè)領域使用的IPM，其市場價格逐年降低。但在電動汽車和鐵道牽引應用領域，由于對可靠性的要求十分高，相應的IPM大多屬于客戶定制品，價格相對昂貴。”

 

三菱電機機電(上海)有限公司半導體事業(yè)部大中國區(qū)技術總監(jiān)宋高升

據介紹，三菱電機目前每月可生產600多萬片DIP IPM模塊，并實施100%功能測試，主要供應變頻家電、工業(yè)變頻器、伺服驅動器和機器人等行業(yè)市場。同時，三菱電機的IPM模塊也正處于新一代技術的更替期，就變頻家電應用來說，三菱電機正大力推廣第6代DIPIPM用于空調壓縮機驅動和變頻洗衣機馬達驅動，以替代原先使用的第5代DIPIPM；另外，三菱電機也在加速推廣最新的SLIMDIP-S用于變頻冰箱的壓縮機驅動和變頻空調的風機驅動中。這些新型IPM模塊基本上都在上一代產品規(guī)格的基礎上，提高了模塊集成度，降低了系統(tǒng)總成本。

 

“智能功率模塊開發(fā)與設計目標是降低器件成本和系統(tǒng)成本，”英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)功率控制事業(yè)部中國區(qū)總監(jiān)于代輝同樣說道，“英飛凌為設計工程師提供的IPM損耗和熱仿真工具，為優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高系統(tǒng)功率密度提供了有力支持；同時，英飛凌也提供參考設計方案，幫助客戶提高系統(tǒng)開發(fā)速度。”例如，英飛凌新一代的IPM已采用逆導型IGBT，把逆變器所需的續(xù)流二極管集成到IGBT芯片上去，這樣不僅可以降低芯片成本，而且還能提高二極管芯片的散熱性能。

 

創(chuàng)新設計提升安全性與集成度

 

從總體上看，效率、高功率密度、設計靈活性和安全性是IPM模塊現(xiàn)階段在技術開發(fā)上的重要方向。圍繞這些面向，一批功率器件廠商紛紛推出了創(chuàng)新型的產品設計，不斷完善保護功能，提高產品的現(xiàn)場應用可靠性；增加相同封裝條件下的額定電流，以實現(xiàn)低功耗；并且提高模塊的集成度，簡化IPM周邊電路的設計。

 

為了應對物聯(lián)網(IoT)環(huán)境下實現(xiàn)身份驗證的應用需求，英飛凌的創(chuàng)新功能提供了保護IPM的新方法。其推出的MIPAQ Pro模塊集成了英飛凌安全微控制器，英飛凌證書已嵌入其中，以支持對原廠配件的身份驗證。此外，該產品還可存儲獨立證書，實現(xiàn)對系統(tǒng)中已安裝IPM的認證，這樣一來，可長期保證原始系統(tǒng)的高質量和高可靠性。集成了身份認證的英飛凌IPM不僅可以追溯產品的現(xiàn)場運行情況，還可以使系統(tǒng)制造商受益于對售后業(yè)務的控制，如確保部件是由原廠提供，并確保只有授權過的服務商才能對系統(tǒng)進行維護和保養(yǎng)。

 

 

英飛凌科技(中國)有限公司工業(yè)功率控制事業(yè)部中國區(qū)總監(jiān)于代輝

 

于代輝還指出，如何突現(xiàn)智能功率模塊IPM的“智能化”，也是關鍵所在。特別是在大功率應用的功率變換中(如風力發(fā)電用逆變器、光伏逆變器和大功率電機驅動等)，英飛凌開發(fā)的IPM“MIPAQ Pro系列”在可靠耐用的封裝中集成了IGBT、柵極驅動器、散熱器、傳感器、數(shù)控電子元件以及數(shù)據總線通信功能，這些高性能子系統(tǒng)可以提供高功率密度和大安全工作區(qū)(SOA)，從而實現(xiàn)了高度模塊化、更高的設計靈活性和安全性等性能。

 

在小功率IPM方面，在家電領域，更高的能效是未來發(fā)展的趨勢，采用變頻電機控制是提高能效的最佳解決方案，如變頻冰箱就需要驅動120W 左右電機的IPM；變頻空調為了提高舒適性和節(jié)能，室內風機也需要變頻電機，這就需要驅動30W 左右電機的IPM，此外，小功率IPM也大量應用于電動工具領域。

 

在三菱電機新一代IPM模塊開發(fā)上，針對不同的行業(yè)應用特點，產品技術開發(fā)的側重點也各有不同。宋高升介紹道，針對DIPIPM (內置HVIC的雙列直插式IPM)產品，系統(tǒng)采用第7代CSTBT或第3代RC-IGBT功率硅片技術實現(xiàn)低功耗；集成自舉二極管和自舉電阻，進一步減少周邊電路所需的元件數(shù)量；改善內置LVIC的設計，使得溫度檢測的模擬輸出具有更好的線性度和精確度；提升短路保護電流動作閾值的精確度，由原來的10%提升至±5%；實現(xiàn)更小封裝，提升產品的性能價格比。

 

針對工業(yè)用IPM產品，三菱電機采用第7代CSTBT功率硅片技術實現(xiàn)低功耗；將溫度檢測點移到IGBT硅片的中心，使過溫保護更精確；對六|合一的IPM，將所需控制電源的數(shù)量從4個減少到2個；針對欠壓、過熱和短路保護動作，輸出不同的報警信號；允許客戶通過端口設定內置功率管的開關速度，實現(xiàn)更好的EMI設計。而針對變頻冰箱及小功率風機驅動應用，三菱電機推出了搭載新一代RC-IGBT(逆導型IGBT)硅片的SLIMDIP-S產品(5A/600V)，相比于廣泛應用在變頻空調中的超小型DIPIPM，其內置功率硅片數(shù)量減少到6個，減少了內部焊接鋁線數(shù)量，提高了可靠性；產品安裝面積縮小31%；絕緣耐壓從1500Vrms提升到2000Vrms；最高允許殼溫從100℃提升到115℃，同時具備過熱保護和溫度模擬量輸出功能；且自舉電容的布線大大縮短。

 

IPM未來技術開發(fā)趨勢

 

談到智能功率模塊技術未來的開發(fā)趨勢，宋高升指出其主要體現(xiàn)在三個方面：即功率硅片技術、封裝技術以及智能化技術。

 

在功率硅片技術方面，未來將加快將新一代半導體材料碳化硅(SiC)應用于IPM內部的功率開關管上。三菱電機已經開發(fā)出數(shù)款混合SiC和完全SiC智能功率模塊，如用于變頻空調的20Arms/600V混合碳化硅/完全碳化硅DIPPFC、用于太陽能逆變器的1200V/75A混合碳化硅/完全碳化硅IPM、用于伺服驅動的600V/200A混合碳化硅IPM等。目前三菱電機正在努力改進生產工藝，使其成本在不遠的將來可以滿足市場需求。

 

在封裝技術上，除了目前流行于市場的標準封裝之外，今后將開發(fā)基于專門應用領域的封裝，以期進一步提高產品應用的可靠性；同時會改進模塊內部構造和綁定線技術，以提升模塊的可靠性和壽命。而在智能化方面，更先進的控制IC技術將進一步完善功率開關的門極驅動，減小短路電流，提高保護可靠性。此外，還可以考慮將控制電源、自舉電路、ROM和DSP集成到模塊內部，以逐步提升產品集成度。

 

于代輝也補充道：“功率半導體的發(fā)展趨勢和設計挑戰(zhàn)在于提高器件的功率密度及芯片的性能，降低IGBT和二極管的損耗。”為此，英飛凌正不斷開發(fā)新的封裝技術，如采用ＰＱＦＮ封裝的μIPM尺寸為12×12×0.8mm，與同類產品比尺寸減小高達60%，可用在40~110W的電機驅動上，且不需要散熱器，主要針對家電和小功率工業(yè)應用如電動工具。另據了解，通過成功收購國際整流器公司，為英飛凌帶來了與IPM有高度互補性的產品組合；此外，英飛凌還于近期收購了和韓國LS工業(yè)系統(tǒng)公司成立的合資公司LS Power Semitech的所有已發(fā)行股份，進一步擴大了在不斷增長的智能功率模塊市場領域的業(yè)務范圍。