功率模块与功率集成电路

近十多年来，功率半导体器件研制和开发中的一个共同趋势是模块化。功率半导体开关模块（功率模块）是把同类的开关器件或不同类的一个或多个开关器件，按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体。模块化可以缩小开关电路装置的体积，降低成本，提高可靠性，便于电力电子电路的设计、研制，更重要的是由于各开关器件之间的连线紧凑，减小了线路电感，在高频工作时可以简化对保护、缓冲电路的要求。

功率模块（Power Module）最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体额定电压、电流。

如将功率半导体器件与电力电子装置控制系统中的检测环节、驱动电路、故障保护、缓冲环节、自诊断等电路制作在同一芯片上，则构成功率集成电路（Power Integrated Circuit—PIC）。PIC中有高压集成电路（High Voltage IC—HVIC）、智能功率集成电路（Smart Power IC—SPIC）、智能功率模块（Intelligent Power Module—IPM）等，这些功率模块已得到了较为广泛的应用。

图1  IPM的原理框图

三菱电机公司在1991年推出智能功率模块（IPM）是较为先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，其基本结构如图1所示。由于采用了能连续监测功率器件电流的具有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现了高效的过流保护和短路保护。IPM集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。目前，IPM已经在中频（<20kHz）、中功率范围内得到了应用。

IPM的特点为：采用低饱和压降、高开开关速度、内设低损耗电流传感器的IGBT功率器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。实行实时逻辑栅压控制模式，以严密的时序逻辑，对过电流、欠电压、短路、过热等故障进行监控保护。提供系统故障输出，向系统控制器提供报警信号。对输出三相故障，如桥臂直通、三相短路、对地短路故障也提供了良好的保护。