講座導(dǎo)語

DIPIPM?是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM?的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

1.3 DIPIPM?的歷史及未來發(fā)展

DIPIPM?誕生的歷史背景

功率半導(dǎo)體器件進(jìn)化和發(fā)展的動(dòng)力源自于人類對于電氣設(shè)備及其電力變換裝置的高性能、低成本、易使用等要素的不懈追求。具體到DIPIPM?*1，則與變頻空調(diào)的誕生和發(fā)展密切相關(guān)。早在1980年變頻技術(shù)首先被應(yīng)用到空調(diào)上，這是空調(diào)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。相對于傳統(tǒng)的定速電機(jī)方式，變頻方式通過PWM*2調(diào)制波來控制功率器件的開通和關(guān)斷，進(jìn)而控制加在電機(jī)上的電壓來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)了制冷和制熱（溫度）的自由調(diào)節(jié)。變頻方式不但能帶來更好的舒適性，同時(shí)也帶來了節(jié)能省電的優(yōu)點(diǎn)。這一時(shí)期變頻空調(diào)控制器采用的主要是分立器件或IPM*3方案。

之后在1993年，日本開始實(shí)施變頻空調(diào)節(jié)能法，日本空調(diào)廠商展開了節(jié)能空調(diào)產(chǎn)品的激烈競爭，這不但提升了空調(diào)的節(jié)能性能，也促進(jìn)了變頻空調(diào)的普及化。同時(shí)也對功率模塊在節(jié)能、小型化等方面提出了更新的要求。空調(diào)行業(yè)的發(fā)展趨勢要求功率模塊不僅需要提高內(nèi)置功率器件的效率，減小產(chǎn)品的封裝尺寸，而且要在保證高度安全可靠的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低價(jià)格。這對功率模塊的內(nèi)置芯片工藝、封裝工藝以及內(nèi)置功能提出了非常高的要求。由于變頻空調(diào)控制器的分立方案太過復(fù)雜，而傳統(tǒng)IPM方案成本太高，為了解決這個(gè)問題，三菱電機(jī)創(chuàng)新性地推出了雙列直插型智能功率模塊DIPIPM?，并在1997年開始了批量生產(chǎn)。

DIPIPM?內(nèi)置了高耐壓驅(qū)動(dòng)芯片，不但可以實(shí)現(xiàn)單電源IGBT*4驅(qū)動(dòng)，使高開關(guān)速度成為了可能，提高了功率模塊的效率，而且集成了欠壓、過溫、過流等保護(hù)功能，大大降低了空調(diào)變頻控制器的設(shè)計(jì)難度，大幅度地減小了空調(diào)變頻控制器的體積，同時(shí)也進(jìn)一步提高了變頻空調(diào)的可靠性。圖1給出了三菱電機(jī)雙列直插型智能功率模塊（DIPIPM?）產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣原理圖。由圖1可以看出，相比較傳統(tǒng)的IPM，DIPIPM?采用了壓注模封裝工藝，成本更低、生產(chǎn)效率更高；內(nèi)置了HVIC、LVIC驅(qū)動(dòng)芯片，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以不通過光耦而直接連接到MCU輸出端口；上橋臂電路采用自舉方式供電，只需要單路15V電源即可。

圖1 三菱電機(jī)DIPIPM?模塊

DIPIPM?滿足了空調(diào)等家電行業(yè)對進(jìn)一步簡化外圍電路、產(chǎn)品體積小型化以及低成本的要求，促進(jìn)了節(jié)能變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī)、變頻冰箱等變頻家電的普及，逐漸成為家電變頻控制器的主流功率半導(dǎo)體器件。

DIPIPM?的技術(shù)變遷

三菱電機(jī)從把DIPIPM?推向市場開始，為滿足變頻空調(diào)等家電設(shè)備對功率元器件特性要求的不斷提高（功耗，成本，體積等），對DIPIPM?的內(nèi)置IGBT芯片以及封裝技術(shù)進(jìn)行不斷改進(jìn)。首先是IGBT芯片技術(shù)的變遷，IGBT芯片是DIPIPM?最重要的功率元器件，從早期三代的平面型IGBT，到第四代溝槽型IGBT，三菱電機(jī)一直在IGBT芯片的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝上不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，芯片面積、工藝線寬、通態(tài)飽和壓降、關(guān)斷時(shí)間、功率損耗等各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)歷了不斷的優(yōu)化，性能也得到穩(wěn)步提升。圖2展示了三菱電機(jī)IGBT芯片技術(shù)的發(fā)展路線。

圖2 三菱電機(jī)IGBT技術(shù)變遷

封裝技術(shù)直接影響著功率器件的整體性能和可靠性，與對芯片技術(shù)的不斷探索一樣，三菱電機(jī)對改善封裝技術(shù)孜孜以求，臻于至善。DIPIPM?的封裝技術(shù)不斷取得進(jìn)步，在做到產(chǎn)品成本越來越低、生產(chǎn)效率越來越高的同時(shí)，DIPIPM?的性能表現(xiàn)穩(wěn)步提高。同時(shí)也通過材料的節(jié)省以及包裝材料的減少間接達(dá)到了減少資源消耗、節(jié)能和環(huán)保的目的。圖3展示的是三菱電機(jī)DIPIPM?模塊封裝技術(shù)的發(fā)展。

圖3 三菱電機(jī)DIPIPM?封裝技術(shù)發(fā)展

自從1997年第1代DIPIPM?誕生以來，伴隨著IGBT芯片一代一代技術(shù)的發(fā)展和封裝技術(shù)的不斷改進(jìn)，三菱電機(jī)也對DIPIPM?產(chǎn)品不斷進(jìn)行升級(jí)換代，至今已發(fā)展至第7代DIPIPM?，封裝形式也從大型發(fā)展到小型、超小型、SLIMDIP?乃至SOPIPM?和DIPIPM+?，不斷致力于為客戶提供更高能效、更高集成度、更完善智能化、更高功率密度、更高性價(jià)比的產(chǎn)品。目前三菱電機(jī)DIPIPM?家族旗下?lián)碛衅叽笙盗挟a(chǎn)品：SOPIPM?、SLIMDIP?、Super mini、Mini、Large、DIPIPM+?和Large DIPIPM+?，如圖4所示?？蛻艨梢愿鶕?jù)實(shí)際需求選擇最合適、性價(jià)比最高的產(chǎn)品。

圖4 三菱電機(jī)DIPIPM?產(chǎn)品線及其規(guī)格

DIPIPM?在中國的應(yīng)用史
中國的變頻空調(diào)市場從1996~1997年開始啟動(dòng)，起初采用的是三菱電機(jī)的IPM產(chǎn)品，大約在2001年三菱電機(jī)開始向中國變頻空調(diào)廠家推廣DIPIPM?并取得了成功。得益于在日本市場的良好表現(xiàn)，三菱電機(jī)DIPIPM?在國內(nèi)很快得到了客戶的廣泛認(rèn)可。隨著中國市場對DIPIPM?模塊的需求迅速增長，三菱電機(jī)也適時(shí)對產(chǎn)品進(jìn)行了系列升級(jí)，市場份額也隨之不斷提升。從第3代大型和小型DIPIPM?到第4代超小型產(chǎn)品，再到第5代/第6代超小型產(chǎn)品以及最新的SLIMDIP?、SOPIPM?和Large DIPIPM+?產(chǎn)品。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上充分考慮了中國客戶的需求，比如增加了溫度輸出功能、內(nèi)置自舉二級(jí)管以及提高短路保護(hù)電流的精度等等。三菱電機(jī)一直致力于變頻家電領(lǐng)域的發(fā)展。自發(fā)貨以來截止到目前，DIPIPM?產(chǎn)品累計(jì)出貨已經(jīng)超過10億片。

與家電領(lǐng)域相比，工業(yè)領(lǐng)域相對來說應(yīng)用環(huán)境更為惡劣，對模塊的絕緣耐壓和過載倍數(shù)要求更高。由于三菱電機(jī)在設(shè)計(jì)之初就充分考慮產(chǎn)品應(yīng)用的兼容性，使得產(chǎn)品應(yīng)用不局限在某一領(lǐng)域，比如三菱電機(jī)的大型DIPIPM?、小型DIPIPM?不僅在家電領(lǐng)域同樣在工業(yè)領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，獲得了不同應(yīng)用領(lǐng)域客戶的認(rèn)可。另外針對特殊領(lǐng)域，例如發(fā)展?jié)摿薮蟮碾妱?dòng)汽車領(lǐng)域，三菱電機(jī)大型DIPIPM?已經(jīng)通過相關(guān)的AEC-Q認(rèn)證，以滿足中國電動(dòng)汽車領(lǐng)域客戶的更高要求。最近三菱電機(jī)又推出了結(jié)溫高達(dá)175℃、整體噪聲比上一代低約10dB的第7代超小型DIPIPM?產(chǎn)品，適合EMI*5要求高、對電流過載倍數(shù)要求高的工業(yè)領(lǐng)域。

DIPIPM?的未來展望
作為小功率變頻應(yīng)用的主流器件，DIPIPM?的技術(shù)還在不斷發(fā)展。一方面是基于現(xiàn)有的Si襯底的IGBT芯片性能會(huì)取得進(jìn)一步的提升，另一方面，相較于Si材料，SiC材料的禁帶寬度更大，在擊穿電場強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢?；谶@些優(yōu)良特性，SiC器件可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求。盡管現(xiàn)在SiC襯底成本高昂，并且由于后續(xù)晶圓制造、封裝良率較低，導(dǎo)致SiC器件整體成本仍處于較高水平。未來隨著全球半導(dǎo)體廠商加速研發(fā)及擴(kuò)產(chǎn)，生產(chǎn)工藝和技術(shù)日趨成熟，將有效降低SiC器件成本。基于SiC技術(shù)的DIPIPM?也將會(huì)逐步批量使用，以其遠(yuǎn)優(yōu)于Si材料的特性來實(shí)現(xiàn)大幅節(jié)能和安裝產(chǎn)品的小型化、輕量化。

三菱電機(jī)早在20多年前就開始了針對SiC技術(shù)的研究。在2000年研發(fā)出多種基于SiC的基礎(chǔ)工藝技術(shù)，此后三菱電機(jī)SiC功率器件在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中先后樹立了豐碑。早在2010年三菱電機(jī)就向市場上推出了混合型SiC DIPIPM?，應(yīng)用于變頻空調(diào)中；并于2016年將基于三菱電機(jī)第2代SiC MOSFET*6芯片技術(shù)的全SiC DIPIPM?產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，獲得了客戶的好評(píng)。目前，三菱電機(jī)即將完成第3代溝槽柵型SiC MOSFET芯片的研發(fā)工作，相信不久的將來基于此新一代SiC MOSFET芯片的DIPIPM?產(chǎn)品也會(huì)面市，以滿足客戶對更好性能的追求。

未來三菱電機(jī)將持續(xù)保持對SiC技術(shù)的深入研究，把“Changes for the better”的企業(yè)理念化為實(shí)際行動(dòng)，踐行“精于節(jié)能，盡心環(huán)保”的綠色研發(fā)生產(chǎn)，為社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排貢獻(xiàn)力量。

在接下來的章節(jié)中，我們將重點(diǎn)圍繞三菱電機(jī)的DIPIPM?產(chǎn)品和應(yīng)用等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹，下面的內(nèi)容更精彩，敬請期待！

本講總結(jié)
1） 智能功率模塊的技術(shù)變遷為變頻空調(diào)的節(jié)能環(huán)保做出了重要貢獻(xiàn)。
2） DIPIPM?集成了IGBT等功率芯片和用于IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)的控制IC，產(chǎn)品體積小、成本低、可靠性高、外圍電路設(shè)計(jì)簡單。
3） 三菱電機(jī)對其DIPIPM?內(nèi)置IGBT芯片以及封裝技術(shù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和迭代升級(jí)，目前三菱電機(jī)的IGBT技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第七代。
4） 三菱電機(jī)DIPIPM?在國內(nèi)外得到客戶的廣泛認(rèn)可，在變頻家電領(lǐng)域占據(jù)舉足輕重的重要地位。
5） 目前SiC器件由于成本高昂尚未大規(guī)模使用，但由于其優(yōu)良的特性未來將是功率半導(dǎo)體主流產(chǎn)品。
6） 三菱電機(jī)深耕SiC領(lǐng)域多年，技術(shù)儲(chǔ)備完善。未來將持續(xù)創(chuàng)新和研發(fā)，開發(fā)出更多基于SiC的新型DIPIPM?。

*號(hào)術(shù)語列表：

*1. DIPIPM：雙列直插型智能功率模塊（Dual In-line Package Intelligent Power Module）；DIPIPM?是三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊商標(biāo)

*2. PWM：脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）

*3. IPM: 智能功率模塊（ Intelligent Power Module）

*4. IGBT：絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）

*5. EMI：電磁干擾（Electromagnetic Interference）

*6. MOSFET：金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）

主要參考文獻(xiàn)：

[1]袁立強(qiáng)，趙爭鳴，宋高升，王正元；《電力半導(dǎo)體器件原理與應(yīng)用》

[2]梁小廣，商明，何洪濤，李衍鴻；《智能功率模塊對空調(diào)產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保的貢獻(xiàn)》

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2021年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列300名。截止2021年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營收41914億日元（約合美元395億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇