IPM原理及测试方法

Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage1诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmIPM原理及测试方法Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy1.IPM的定义及基本结构框图Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy•IPM即智能功率模块（IntelligentPowerModule），是一种把功率开关器件和门极驱动电路集成在一起的电力集成电路，其在电力电子领域的应用非常广泛。在IPM中不仅集成了高效的功率开关器件（MOSFET，IGBT）和优化过的门极驱动电路，往往还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage4IPM的基本结构驱动电路驱动电路驱动电路过压，过流和过热等检测电路功率开关元件1功率开关元件2功率开关元件n驱动信号1驱动信号2驱动信号nSilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy一种典型的IPM电路FSB20CH60的内部结构图Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopySD05M50D的内部结构图Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyIPM与以往传统的功率开关模块与驱动电路的分立组件相比具有如下特点：1.内含驱动电路。设定了最佳的功率器件驱动条件，驱动电路与功率器件栅极之间的距离很短，输出阻抗很低，因此，不易受干扰，更不需要加反向偏压。2.内含过电流保护和短路保护模块。由于是通过检测各功率器件集电极电流实现保护的，故不管哪个器件发生异常，都能保护，特别是下桥臂短路和对地短路的保护，同时由于可以直接关断，因此反应时间也比依靠MCU关断的分立组件要短。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage83.内含驱动电源欠电压保护(UV)。每个驱动电路都具有UV保护功能。当驱动电源电压VCC小于规定值UV时，产生欠电压保护。4.内含过热保护。过热保护是防止内部功率器件IGBT、FRD等过热的保护功能。能对于芯片的异常发热实现保护。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage95.内含报警输出功能(ALM)。ALM是向外部输出故障报警的一种功能，当出现过热，过流，以及UV保护动作时，通过向控制IPM的微机输出异常信号，能切实停止系统，保护系统不受异常故障的损坏。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage102.IPM的驱动控制方法简介Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage11120度（方波）和180度（正弦波）控制方式简介IPM的一个重要应用领域就是无刷直流电机（BLDC）领域，目前我们所拿到的无刷直流电机的驱动方式主要有两种，分别为120度驱动和180度驱动，其中120度驱动方式中每一相的导通角度为120度，电流输出信号为矩形；180度驱动方式中每一相的导通角度为180度，电流输出信号为正弦波。下图分别为三相无刷直流电机中采用120度驱动方式和180度驱动方式时的输入信号。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy（180度驱动方式）Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage13（120度驱动方式）Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage14由上图可知，由于工作在120度驱动方式时IPM中的每一个功率开关器件只在1/3周期中有开关动作，因此工作在120度驱动方式时IPM的开关损耗比工作在180度驱动方式时要少很多。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy3.IPM重点参数及测试方法介绍Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyPage163.1击穿电压（BVDSS）测试IPM的击穿电压测试包括两部分，一部分是指对IPM内置功率开关器件（IGBT）的CE端击穿电压测试，另外一部分是指对IPM内置高压驱动电路（HVIC）的高压端（VS）的击穿电压测试。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy功率开关器件击穿电压（BVDSS）测试功率开关器件的击穿电压是指当功率开关器件处于关闭状态时，将C极和E极之间击穿所需的电压，其中fairchild一般以CE电流为250uA作为CE击穿的标志。以FSB20CH60为例，CE端击穿电压测试图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSCSCINWLINULVCCOUTWLVSLCFODVFOCOMINVLOUTVLOUTULPWVUNWNVNU高压ASilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy上图为FSB20CH60上桥臂IGBT的击穿电压测试图，其中IGBT的C极接高压，E极接地，另外尤其要注意的是HVIC的VS端必须接地，这样才能保证IGBT的栅极电平与E极的电平一致，从而使IGBT能处于关闭状态。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSCSCINWLINULVCCOUTWLVSLCFODVFOCOMINVLOUTVLOUTULPWVUNWNVNU高压ASilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy上图为FSB20CH60下桥臂IGBT的击穿电压测试图，其中IGBT的C极接高压，E极接地，要注意的是LVIC的COM端必须接地，这样才能保证IGBT的栅极电平与E极的电平一致，从而使IGBT能处于关闭状态。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyHVIC击穿电压（BVDSS）测试HVIC即IPM内部的高压驱动芯片，其主要功能是通过电荷泵的原理来驱动打开IPM内置的上桥臂功率管，由于应用时HVIC的VS端与IPM的输出端是直接相连的，因此VS端也将承受高压，HVIC的击穿电压测试就是指VS端与COM端之间被击穿所需的电压值。以FSB20CH60为例，VS端击穿电压测试图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSCSCINWLINULVCCOUTWLVSLCFODVFOCOMINVLOUTVLOUTULPWVUNWNVNU高压ASilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy3.2高压漏电流（IDSS）测试高压漏电流（IDSS）的测试也包括两部分，即IPM内置功率开关器件处于关闭状态下的CE漏电流测试和IPM内置HVIC的高压端（VS）漏电流测试，测试时的外围线路连接与击穿电压测试时完全相同，也就是在功率开关器件的CE之间和VS对COM之间加上额定的高电压，测试此时高电压流出的漏电流。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy3.3正向导通电压（VDSON）测试正向导通电压是指IPM内置功率开关器件（IGBT）处于开启状态时，当CE之间流过一定值电流后，C极与E极之间的电压差。以FSB20CH60为例，正向导通电压测试图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSCSCINWLINULVCCOUTWLVSLCFODVFOCOMINVLOUTVLOUTULPWVUNWNVNU高压VSilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy上图为FSB20CH60上桥臂IGBT的导通电压测试图，其中IGBT的C极接高压，E极接地，IN脚接入高电平，使IGBT处于导通状态，然后使用电子恒流源给IGBT灌入额定值的电流，然后测试IGBTC极与E极之间的电压差值。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy3.4反向导通电压（VSD）测试反向导通电压是指IPM内置功率开关器件（IGBT）处于关闭状态时，当从续流管流过一定值电流后，续流管两极之间的电压差。以FSB20CH60为例，反向导通电压测试图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSCSCINWLINULVCCOUTWLVSLCFODVFOCOMINVLOUTVLOUTULPWVUNWNVNUVCCVSilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy上图为FSB20CH60S上桥臂反向导通电压测试图，其中IGBT处于关闭状态，然后从IGBT的E极灌入额定的电流值，C极接地，此时IGBTE极与C极之间的电压差值即为反向导通电压。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy3.5HVIC高侧静态电流(IBS)测试HVIC高侧静态电流是指HVIC在正常工作时，VB和VS之间流入的电流，需要在IN脚输入电平在高低两种电平条件下分别进行测试。测试图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVCCASilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy高压侧静态电流（IBS）是一项非常关键的参数，由于IPM在正常工作时，上桥臂IGBT的开启必须通过电荷泵自举的方式进行供电，因此给HVIC的高压侧供电的实际上是VB-VS之间的电容。由于客户从成本角度考虑，往往使用容值很低的电容作为VB-VS之间的电容，这样就对IBS提出了要求，如果IBS很大，那VB-VS电容将无法提供足够的电流，从而导致上桥臂的IGBT无法开启。自举时系统工作图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopySilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy3.6热阻(RƟJC)测试热阻是表征IPM电路散热性的重要参数，由于IPM往往内置多个功率器件，因此对于散热的要求非常高，如果电路的热阻不佳，将导致功率器件产生的热量无法及时散发，使IPM内部的电路处于高温的工作状态，这将使IPM的使用寿命和性能都受到影响。Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy热阻的精确测试需要购置专用的仪器，这里将介绍一种简易的测试方法，虽然无法很精确的定量测试出热阻值，但可以定性地表征出IPM的热阻特性，尤其是可以用于不同产品之间的对比。以FSB20CH60为例，热阻测试图如下：Silan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopyVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSVBVCCCOMINOUTVSCSCINWLINULVCCOUTWLVSLCFODVFOCOMINVLOUTVLOUTULPWVUNWNVNUVCCVHHHHHHSilan士兰微电子CompanyConfidential,don’tcopy如上图所示，首先使所有的6路输入为高，将6个IGBT全部打开。然后使用恒流源向IPM