功率模块IPM、IGBT及车用功率器件

 

功率半导体器件在现代电力控制和驱动系统中发挥着重要作用。IGBT模块和IPM模块是其中两个最为常见的器件类型。它们都可以用于控制大功率负载和驱动电机等应用，但是它们的内部结构和功能有所不同，那么IPM、IGBT模块分别是什么意思？下面我们来详细了解它们之间的不同点。

一、IPM模块是什么意思？

IPM（Intelligent Power Module，智能功率模块）是一种功能强大的集成电路模块，可以用于控制和驱动高功率电子设备，如交流电机驱动器、变频器、逆变器等。它是一种高度集成的半导体器件，通常包括功率开关、驱动电路、保护电路和控制电路等多个功能模块。

 

IPM模块通常包括一个功率MOSFET、IGBT（绝缘栅双极晶体管）或SiC（碳化硅）等开关器件，以及一个驱动电路，用于控制这些开关器件的导通和截止。此外，IPM模块还通常集成有电源电路、电流和电压传感器、过温保护和短路保护等功能，可以提供全面的保护措施，以保证高功率电子设备的安全和可靠性。

二、IGBT模块是什么意思？

IGBT模块（Insulated Gate Bipolar Transistor Module）是一种集成了多个IGBT芯片、驱动电路、保护电路等功能的模块化电子元件。它是一种用于高功率电力电子设备中的半导体器件，常用于高压、高电流的交流/直流变换器、逆变器和直流/直流变换器中。

 

IGBT是一种结合了MOSFET和BJT的特性的半导体器件。它具有低导通电阻和高开关速度的优点，同时也具有BJT器件高电压耐受性和电流承载能力强的特点。因此，IGBT器件被广泛应用于高功率、高频率的电力电子设备中。IGBT模块通常由多个IGBT芯片、驱动电路、保护电路、散热器、连接器等组成。通过内部的绝缘隔离结构，IGBT芯片与外界隔离，以防止外界的干扰和电磁干扰。同时，模块内部的驱动电路和保护电路可以有效地控制和保护IGBT芯片，提高设备的可靠性和安全性。

三、IGBT模块和IPM模块有什么不同？

IGBT模块和IPM模块都是功率电子器件，但它们有以下几点不同：

1、集成度不同：IGBT模块只包含一个IGBT晶体管和一个驱动电路，而IPM模块则集成了多个器件和电路模块，具有更高的集成度。

2、功能不同：IGBT模块只能实现单一的功率开关功能，而IPM模块集成了多个功能模块，如电源电路、电流和电压传感器、过温保护和短路保护等，能够提供全面的保护和控制功能。

3、应用范围不同：IGBT模块通常用于单一功率开关控制的场合，如交流电机驱动器、变频器、逆变器等；而IPM模块通常用于多路功率开关控制的场合，如电机驱动器、UPS、电力变换器等。

4、可靠性不同：IPM模块具有更高的可靠性，因为它集成了多个保护和控制模块，能够全面保护系统免受电压过高、电流过大、过温等异常情况的影响。

5、成本不同：IPM模块由于集成度更高，功能更全面，因此相对成本也更高，而IGBT模块相对较为简单，成本相对较低。

总的来说，IPM模块是一种更为高级的功率电子器件，相对于IGBT模块具有更高的集成度、更多的功能和更高的可靠性，适用于更为复杂和高级的电力控制系统。而IGBT模块则更为简单和经济，适用于单一功率开关控制的场合。

 

为什么说碳化硅

是车用功率模块的未来?

碳化硅的禁带宽度约为硅基材料的3倍，临界击穿场强约为硅基材料的10倍，热导率约是硅基材料的3倍，电子饱和漂移速率约是硅基材料的2倍。碳化硅材料的耐高压、耐高温、高频特性相较于硅基器件能应用于更严苛的工况，可显著提高效率和功率密度，降低应用端的成本、体积和重量。

图1 各类半导体材料性能对比

根据Yole数据，2021-2027年，全球碳化硅功率器件市场规模将由10.9亿美元增长到62.97亿美元，年复合增长率为34%；其中电动车用碳化硅市场规模将由6.85亿美元增长到49.86亿美元，年复合增长率更是高达39.2%，而电动车（逆变器+OBC+DC/DC转换器）是碳化硅最大的下游应用，占比将由62.8%增长到79.2%，市场份额持续攀升。

图2.Yole的市场分析

碳化硅在汽车行业的应用趋势

电动汽车行业发展至今，行业最关心的是续航里程。影响续航里程的因素有很多，包括电池容量、车身重量、电力系统的电能转化效率等。功率半导体是电能转换的核心，碳化硅功率器件比硅基器件有低导通损耗、高开关频率和高工作耐压等优势，能获得更高的系统电能转换效率，且在使得同等电量情况下，比使用硅基功率器件获得更多的续航里程。因此电动汽车对于碳化硅功率器件的应用需求日益凸显。在电动汽车中，碳化硅功率器件的应用主要为两个方向，一个用于电机驱动逆变器（电机控制器），另一个用于车载电源系统，主要包括：电源转换系统（车载DC/DC）、车载充电系统（OBC）、车载空调系统（PTC和空压机）等方面。

 

 

车用碳化硅功率模块

的产业化落地与技术逻辑

当前，全球碳化硅产业格局呈现美、欧、日三足鼎立态势，碳化硅材料七成以上来自美国公司，欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，日本则在碳化硅芯片、模块和应用开发方面占据领先优势。中国目前已具备完整的碳化硅产业链，在材料制备和封测应用等部分环节具有国际竞争力。目前排名在前几位均为国外公司，国内公司尚未形成一定市占率。而在新能源汽车领域，由于我国汽车电动化走在全球最前列，本土市场拉动正在成为国产半导体企业崛起的有利因素。

现在，全球碳化硅企业都在积极开拓汽车市场，主要应用落地包括功率分立器件和功率模块。其中，碳化硅芯片的优良特性，需要通过封装与电路系统实现功率的高效、高可靠连接，才能得到完美展现。经过专业的设计和先进的封装工艺制作出来的碳化硅MOSFET功率模块，是目前电动汽车应用的主流趋势。

目前新的设计SiC模块的设计方向是结构紧凑更紧凑，通过采用双面银烧结和铜线键合技术，以及氮化硅高性能AMB陶瓷板、用于液冷型铜基PinFin板、多信号监控的感应端子（焊接、压接兼容）设计，努力往低损耗、高阻断电压、低导通电阻、高电流密度、高可靠性等方向努力。通过好的设计和先进的工艺技术确保碳化硅MOSFET性能优势在设备中得到最大程度发挥。

图5.碳化硅MOSFET封装要求

更小的元胞尺寸、更低的比导通阻、更低的开关损耗、更好的栅氧保护是碳化硅MOSFET技术的主要发展趋势，体现在应用端上则是更好的性能和更高的可靠性。加之碳化硅器件的高功率密度、高结温特性、高频特性要求，也对现有封装技术提出更高的要求，目前中国的功率模块封装创新主要朝着如下几个方向在走：

●更先进的连接材料以及连接工艺，以承受更高的温度变化

功率模块中主要使用3种陶瓷覆铜板：AI2O3-DBC热阻最高，但是制造成本最低；AlN-DBC热阻最低，但韧性不好；Si3N4-AMB陶瓷材料热阻居中，韧性极好，热容参数也更出色，可靠性远超AlN和AI2O3，使得模块散热能力、电流能力、功率密度均能大幅提升，非常适合汽车级的碳化硅模块应用。

●更短的连接路径以及更先进的连接技术，以降低杂感来适应器件高频特性

银烧结是目前碳化硅模块领域最先进的焊接技术，可充分满足汽车级功率模块对高、低温使用场景的严苛要求。相较于传统锡焊技术，银烧结可实现零空洞，低温烧结高温服役，焊接层厚度减少60-70％，适合高温器件互连，电性能、热性能均优于锡焊料，电导率提高5-6倍，热导率提高3-4倍。很多企业已经尝试将功率模块内部中的所有传统焊料升级迭代为银烧结工艺，包括芯片，电阻，传感器等。

为进一步提升模块电性能及可靠性，尝试的方向是采用DTS+TCB（Die Top System + Thick Cu Bonding）技术，在常温条件下通过超声焊接将粗铜线与AMB基板、及芯片表面的覆铜片进行键合连接，实现彼此间的电气互联。相较铝线键合，模块寿命可提升3倍以上，且电流和导热能力可大幅提升。

●更集成的封装结构设计以及电路拓扑，以进行更好的系统热管理

为使模块产品热路径设计更紧凑，促使逆变器系统集成设计更紧凑高效，进一步降低整体系统逆变器成本，通过封装形式的改变，改善散热性以及通流能力。采用多芯片并联的内部结构，各并联主回路和驱动回路参数基本一致，最大程度保证并联芯片的均流性。模块内部封装有温度传感器（PTC），且PTC安装在靠近芯片的模块中心位置，得到了一个紧密的热耦合，可方便精确地对模块温度进行测量。