功率半導體器件：IGBT模塊和IPM模塊的定義及區別

功率半導體器件在現代電力控制和驅動系統中發揮著重要作用。IGBT模塊和IPM模塊是其中兩個最為常見的器件類型。它們都可以用于控制大功率負載和驅動電機等應用，但是它們的內部結構和功能有所不同，那么IPM、IGBT模塊分別是什么意思？下面我們來詳細了解它們之間的不同點。

一、IPM模塊是什么意思？

IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）是一種功能強大的集成電路模塊，可以用于控制和驅動高功率電子設備，如交流電機驅動器、變頻器、逆變器等。它是一種高度集成的半導體器件，通常包括功率開關、驅動電路、保護電路和控制電路等多個功能模塊。

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IPM模塊通常包括一個功率MOSFET、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）或SiC（碳化硅）等開關器件，以及一個驅動電路，用于控制這些開關器件的導通和截止。此外，IPM模塊還通常集成有電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護和短路保護等功能，可以提供全面的保護措施，以保證高功率電子設備的安全和可靠性。

二、IGBT模塊是什么意思？

IGBT模塊（Insulated Gate Bipolar Transistor Module）是一種集成了多個IGBT芯片、驅動電路、保護電路等功能的模塊化電子元件。它是一種用于高功率電力電子設備中的半導體器件，常用于高壓、高電流的交流/直流變換器、逆變器和直流/直流變換器中。

IGBT是一種結合了MOSFET和BJT的特性的半導體器件。它具有低導通電阻和高開關速度的優點，同時也具有BJT器件高電壓耐受性和電流承載能力強的特點。因此，IGBT器件被廣泛應用于高功率、高頻率的電力電子設備中。IGBT模塊通常由多個IGBT芯片、驅動電路、保護電路、散熱器、連接器等組成。通過內部的絕緣隔離結構，IGBT芯片與外界隔離，以防止外界的干擾和電磁干擾。同時，模塊內部的驅動電路和保護電路可以有效地控制和保護IGBT芯片，提高設備的可靠性和安全性。

三、IGBT模塊和IPM模塊有什么不同？

IGBT模塊和IPM模塊都是功率電子器件，但它們有以下幾點不同：

1、集成度不同：IGBT模塊只包含一個IGBT晶體管和一個驅動電路，而IPM模塊則集成了多個器件和電路模塊，具有更高的集成度。

2、功能不同：IGBT模塊只能實現單一的功率開關功能，而IPM模塊集成了多個功能模塊，如電源電路、電流和電壓傳感器、過溫保護和短路保護等，能夠提供全面的保護和控制功能。

3、應用范圍不同：IGBT模塊通常用于單一功率開關控制的場合，如交流電機驅動器、變頻器、逆變器等；而IPM模塊通常用于多路功率開關控制的場合，如電機驅動器、UPS、電力變換器等。

4、可靠性不同：IPM模塊具有更高的可靠性，因為它集成了多個保護和控制模塊，能夠全面保護系統免受電壓過高、電流過大、過溫等異常情況的影響。

5、成本不同：IPM模塊由于集成度更高，功能更全面，因此相對成本也更高，而IGBT模塊相對較為簡單，成本相對較低。

總的來說，IPM模塊是一種更為高級的功率電子器件，相對于IGBT模塊具有更高的集成度、更多的功能和更高的可靠性，適用于更為復雜和高級的電力控制系統。而IGBT模塊則更為簡單和經濟，適用于單一功率開關控制的場合。

為什么說碳化硅是車用功率模塊的未來？

碳化硅的禁帶寬度約為硅基材料的3倍，臨界擊穿場強約為硅基材料的10倍，熱導率約是硅基材料的3倍，電子飽和漂移速率約是硅基材料的2倍。碳化硅材料的耐高壓、耐高溫、高頻特性相較于硅基器件能應用于更嚴苛的工況，可顯著提高效率和功率密度，降低應用端的成本、體積和重量。

圖1 各類半導體材料性能對比

根據Yole數據，2021-2027年，全球碳化硅功率器件市場規模將由10.9億美元增長到62.97億美元，年復合增長率為34%；其中電動車用碳化硅市場規模將由6.85億美元增長到49.86億美元，年復合增長率更是高達39.2%，而電動車（逆變器+OBC+DC/DC轉換器）是碳化硅最大的下游應用，占比將由62.8%增長到79.2%，市場份額持續攀升。

圖2.Yole的市場分析

碳化硅在汽車行業的應用趨勢

電動汽車行業發展至今，行業最關心的是續航里程。影響續航里程的因素有很多，包括電池容量、車身重量、電力系統的電能轉化效率等。功率半導體是電能轉換的核心，碳化硅功率器件比硅基器件有低導通損耗、高開關頻率和高工作耐壓等優勢，能獲得更高的系統電能轉換效率，且在使得同等電量情況下，比使用硅基功率器件獲得更多的續航里程。因此電動汽車對于碳化硅功率器件的應用需求日益凸顯。在電動汽車中，碳化硅功率器件的應用主要為兩個方向，一個用于電機驅動逆變器（電機控制器），另一個用于車載電源系統，主要包括：電源轉換系統（車載DC/DC）、車載充電系統（OBC）、車載空調系統（PTC和空壓機）等方面。

車用碳化硅功率模塊

的產業化落地與技術邏輯

當前，全球碳化硅產業格局呈現美、歐、日三足鼎立態勢，碳化硅材料七成以上來自美國公司，歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應用產業鏈，日本則在碳化硅芯片、模塊和應用開發方面占據領先優勢。中國目前已具備完整的碳化硅產業鏈，在材料制備和封測應用等部分環節具有國際競爭力。目前排名在前幾位均為國外公司，國內公司尚未形成一定市占率。而在新能源汽車領域，由于我國汽車電動化走在全球最前列，本土市場拉動正在成為國產半導體企業崛起的有利因素。

現在，全球碳化硅企業都在積極開拓汽車市場，主要應用落地包括功率分立器件和功率模塊。其中，碳化硅芯片的優良特性，需要通過封裝與電路系統實現功率的高效、高可靠連接，才能得到完美展現。經過專業的設計和先進的封裝工藝制作出來的碳化硅MOSFET功率模塊，是目前電動汽車應用的主流趨勢。

目前新的設計SiC模塊的設計方向是結構緊湊更緊湊，通過采用雙面銀燒結和銅線鍵合技術，以及氮化硅高性能AMB陶瓷板、用于液冷型銅基PinFin板、多信號監控的感應端子（焊接、壓接兼容）設計，努力往低損耗、高阻斷電壓、低導通電阻、高電流密度、高可靠性等方向努力。通過好的設計和先進的工藝技術確保碳化硅MOSFET性能優勢在設備中得到最大程度發揮。

圖5.碳化硅MOSFET封裝要求

更小的元胞尺寸、更低的比導通阻、更低的開關損耗、更好的柵氧保護是碳化硅MOSFET技術的主要發展趨勢，體現在應用端上則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、高結溫特性、高頻特性要求，也對現有封裝技術提出更高的要求，目前中國的功率模塊封裝創新主要朝著如下幾個方向在走：

●更先進的連接材料以及連接工藝，以承受更高的溫度變化

功率模塊中主要使用3種陶瓷覆銅板：AI2O3-DBC熱阻最高，但是制造成本最低；AlN-DBC熱阻最低，但韌性不好；Si3N4-AMB陶瓷材料熱阻居中，韌性極好，熱容參數也更出色，可靠性遠超AlN和AI2O3，使得模塊散熱能力、電流能力、功率密度均能大幅提升，非常適合汽車級的碳化硅模塊應用。

●更短的連接路徑以及更先進的連接技術，以降低雜感來適應器件高頻特性

銀燒結是目前碳化硅模塊領域最先進的焊接技術，可充分滿足汽車級功率模塊對高、低溫使用場景的嚴苛要求。相較于傳統錫焊技術，銀燒結可實現零空洞，低溫燒結高溫服役，焊接層厚度減少60-70％，適合高溫器件互連，電性能、熱性能均優于錫焊料，電導率提高5-6倍，熱導率提高3-4倍。很多企業已經嘗試將功率模塊內部中的所有傳統焊料升級迭代為銀燒結工藝，包括芯片，電阻，傳感器等。

為進一步提升模塊電性能及可靠性，嘗試的方向是采用DTS+TCB（Die Top System + Thick Cu Bonding）技術，在常溫條件下通過超聲焊接將粗銅線與AMB基板、及芯片表面的覆銅片進行鍵合連接，實現彼此間的電氣互聯。相較鋁線鍵合，模塊壽命可提升3倍以上，且電流和導熱能力可大幅提升。

●更集成的封裝結構設計以及電路拓撲，以進行更好的系統熱管理

為使模塊產品熱路徑設計更緊湊，促使逆變器系統集成設計更緊湊高效，進一步降低整體系統逆變器成本，通過封裝形式的改變，改善散熱性以及通流能力。采用多芯片并聯的內部結構，各并聯主回路和驅動回路參數基本一致，最大程度保證并聯芯片的均流性。模塊內部封裝有溫度傳感器（PTC），且PTC安裝在靠近芯片的模塊中心位置，得到了一個緊密的熱耦合，可方便精確地對模塊溫度進行測量。

編輯：黃飛