当前位置： 绝缘栅 >> 绝缘栅前景 >> 单片机应用智能功率模块IPM概述
智能功率模块（IPM）是现代电力电子技术中的一种关键器件，它集成了功率开关器件、驱动电路和保护电路于一体。在单片机（MCU）的驱动下，IPM能够实现对电力电子系统的智能控制，提高系统的效率和可靠性。本文将概述单片机在IPM中的应用，并详细探讨其工作原理和优势。智能功率模块（IPM）是集成了功率开关器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的模块，它融合了GTR（大功率晶体管）的高电流密度、低饱和电压和耐高压特性，以及MOSFET（场效应晶体管）的高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率优势。IPM内部精心集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使得使用更为便捷，不仅有效减小了系统体积和开发周期，更显著提升了系统的可靠性。这一模块化、复合化和功率集成电路（PIC）的发展方向，使得IPM在电力电子领域的应用日益广泛。
IPM的内部结构以高速、低功耗的IGBT芯片为核心，辅以优选的门级驱动及保护电路。IGBT巧妙地融合了GTR和MOSFET的优点，通过MOSFET驱动GTR，从而实现了高性能的电力转换与控制。此外，IPM还根据内部功率电路的不同配置，分为H型、D型、C型和R型等多种类型，以满足不同功率需求的应用场景。小功率IPM采用多层环氧绝缘系统，而中大功率IPM则选用陶瓷绝缘材料，确保了其优异的安全性和稳定性。
内部功能机制IPM内置的驱动和保护电路使得系统硬件电路更为简洁、可靠，从而缩短了系统的开发周期，并增强了在故障情况下的自保护能力。相较于普通的IGBT模块，IPM在系统性能和可靠性方面均取得了显著的进步。
其保护电路涵盖了控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护等多重功能。一旦IPM模块中的任何一种保护电路启动，IGBT栅极驱动单元会立即切断门极电流，并发出一个故障信号(FO)。具体而言，这些保护功能包括：
()控制电压欠压保护(UV)：当IPM使用单一的+5V供电电压降至2.5V以下，且持续时间超过0ms时，将触发欠压保护，封锁门极驱动电路并输出故障信号。
(2)过温保护(OT)：通过在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装温度传感器进行监测。一旦基板温度超过设定值，将启动过温保护，同样封锁门极驱动电路并输出故障信号。
(3)过流保护(OC)：当流过IGBT的电流值超过设定的过流动作电流，且持续时间超过toff时，将触发过流保护，封锁门极驱动电路并输出故障信号。为防止过大的di/dt产生，多数IPM采用两级关断模式。
(4)短路保护(SC)：若负载发生短路或控制系统故障导致短路，且流过IGBT的电流超过短路动作电流时，将立即启动短路保护，封锁门极驱动电路并输出故障信号。同样地，为避免过大的di/dt，IPM也采用两级关断模式。此外，IPM内部还配备了实时电流控制电路(RTC)，使过流保护的电流检测和故障动作响应时间缩短至00ns以内，从而有效抑制了电流和功率峰值，进一步增强了保护效果。当IPM遭遇UV、OC、OT或SC中的任何一种故障时，其故障输出信号将持续.8毫秒（对于SC，持续时间可能稍长）。在此期间，IPM将封锁门极驱动并关断模块。一旦故障输出信号持续时间结束，IPM将自动复位，并重新开放门极驱动通道。值得注意的是，器件自身产生的故障信号是非保持性的。这意味着，如果故障源在tFO结束后仍未得到排除，IPM将重复执行自动保护动作。鉴于过流、短路和过热等保护动作都涉及恶劣的运行状况，应尽量避免其反复发生。因此，仅依赖IPM内部的保护电路可能不足以确保器件的完全自我保护。为了确保系统的真正安全与可靠运行，需要配备额外的外围保护电路。电路设计是确保IPM高效、可靠运行的关键环节。其中，驱动电路作为IPM主电路与控制电路之间的桥梁，其设计质量直接影响着装置的整体性能。在IGBT的驱动设计上，需注意栅极耐压特性，并采取适当的保护措施，如通过并联稳压二极管或电阻来提供电压保护。同时，考虑到MOSFET的输入电容在开关过程中的充放电需求，驱动电路应具备足够的输出电流能力。此外，为确保IGBT的可靠关闭并防止擎住现象，建议采用双电源供电，为栅极提供适当的负偏压。
在实际应用中，集成式驱动电路因结构简洁、保护功能完善而受到广泛青睐。与分立式驱动电路相比，其可靠性更高、性能更优。因此，大多数情况下，IPM会选择采用集成式驱动电路。
针对IPM的驱动电路设计，需严格遵循特定的电压要求。首先，驱动电压需维持在5V±0%的范围内，以确保装置不会因欠压或过压而受损。其次，驱动电压之间应相互隔离，以减少地线噪声的干扰。此外，驱动电源的绝缘电压至少应为IPM极间反向耐压值的两倍。同时，参考器件给出的20kHz驱动电流要求，根据实际开关频率进行适当调整。最后，驱动电路输出端的滤波电容大小需严格控制，以避免因寄生电容过大而引发的噪声干扰问题。IPM以其卓越的性能优势，在简化电路设计、节省空间以及提升运行可靠性方面表现出色。正因如此，它被广泛应用于消费电子、白色家电、电动汽车、轨道交通、工业设备、光伏风电以及智能电网等多个领域。特别在白色家电领域，我国作为全球最大的白色家电生产国，随着节能减排和绿色环保理念的深入人心，家电新能效标准日益严格。IPM作为变频控制器中的关键元件，其性能需求也随之水涨船高。此外，电动汽车和光伏风电等领域的迅猛发展，也对IPM的性能稳定性和可靠性提出了更高要求。因此，IPM的高质量化发展已成为行业共识。全球范围内，IPM的领先生产商主要集中于欧美日等地区，包括三菱电机、安森美、英飞凌、意法半导体、罗姆、富士电机等行业巨头。相较之下，我国IPM行业起步较晚，在技术层面与国外先进企业仍存在一定的差距，国内市场主要被国外企业所主导。然而，随着市场需求的持续旺盛以及国产替代的推动，越来越多的国内企业开始涉足IPM行业。其中，比亚迪、士兰微、斯达半导、华微电子等企业脱颖而出，实现了从设计、流片到封测的全流程自主研发与生产，并已开始向市场批量供货。随着这些企业生产能力的不断提升、产品工艺的改进以及产品的持续迭代升级，国产IPM在国内市场中的占有率已逐渐提升，与国外企业的差距在不断缩小。展望未来，我们有理由相信，国产IPM产品必将在功率半导体领域占据一席之地，并有望实现赶超。虽然道路充满挑战，但前景无疑充满希望。
