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誠信忍耐探索熱情

FaithEnduranceExplorationEnthusiasmIPM原理及測試方法Page1誠信忍耐1.IPM的定義及基本結構框圖1.IPM的定義及基本結構框圖IPM即智能功率模塊（IntelligentPowerModule），是一種把功率開關器件和門極驅動電路集成在一起的電力集成電路，其在電力電子領域的應用非常廣泛。在IPM中不僅集成了高效的功率開關器件（MOSFET，IGBT）和優化過的門極驅動電路，往往還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路。IPM即智能功率模塊（IntelligentPowerMPage

4IPM的基本結構Page4IPM的基本結構一種典型的IPM電路FSB20CH60的內部結構圖

一種典型的IPM電路FSB20CH60的內部結構圖SD05M50D的內部結構圖

SD05M50D的內部結構圖

IPM與以往傳統的功率開關模塊與驅動電路的分立組件相比具有如下特點：1.內含驅動電路。設定了最佳的功率器件驅動條件，驅動電路與功率器件柵極之間的距離很短，輸出阻抗很低，因此，不易受干擾，更不需要加反向偏壓。2.內含過電流保護和短路保護模塊。由于是通過檢測各功率器件集電極電流實現保護的，故不管哪個器件發生異常，都能保護，特別是下橋臂短路和對地短路的保護，同時由于可以直接關斷，因此反應時間也比依靠MCU關斷的分立組件要短。IPM與以往傳統的功率開關模塊與驅動電路的分立組件Page

83.內含驅動電源欠電壓保護(UV)。每個驅動電路都具有UV保護功能。當驅動電源電壓VCC小于規定值UV時，產生欠電壓保護。4.內含過熱保護。過熱保護是防止內部功率器件IGBT、FRD等過熱的保護功能。能對于芯片的異常發熱實現保護。Page83.內含驅動電源欠電壓保護(UV)。每個驅動電路Page

95.內含報警輸出功能(ALM)。ALM是向外部輸出故障報警的一種功能，當出現過熱，過流，以及UV保護動作時，通過向控制IPM的微機輸出異常信號，能切實停止系統，保護系統不受異常故障的損壞。Page95.內含報警輸出功能(ALM)。ALMPage

102.IPM的驅動控制方法簡介Page102.IPM的驅動控制方法簡介Page

11120度（方波）和180度（正弦波）控制方式簡介

IPM的一個重要應用領域就是無刷直流電機（BLDC）領域，目前我們所拿到的無刷直流電機的驅動方式主要有兩種，分別為120度驅動和180度驅動，其中120度驅動方式中每一相的導通角度為120度，電流輸出信號為矩形；180度驅動方式中每一相的導通角度為180度，電流輸出信號為正弦波。下圖分別為三相無刷直流電機中采用120度驅動方式和180度驅動方式時的輸入信號。Page11120度（方波）和180度（正弦波）控制方式簡（180度驅動方式）（180度驅動方式）Page

13（120度驅動方式）Page13（120度驅動方式）Page

14由上圖可知，由于工作在120度驅動方式時IPM中的每一個功率開關器件只在1/3周期中有開關動作，因此工作在120度驅動方式時IPM的開關損耗比工作在180度驅動方式時要少很多。Page14由上圖可知，由于工作在120度驅3.IPM重點參數及測試方法介紹

3.IPM重點參數及測試方法介紹Page

163.1擊穿電壓（BVDSS）測試IPM的擊穿電壓測試包括兩部分，一部分是指對IPM內置功率開關器件（IGBT）的CE端擊穿電壓測試，另外一部分是指對IPM內置高壓驅動電路（HVIC）的高壓端（VS）的擊穿電壓測試。Page163.1擊穿電壓（BVDSS）測試功率開關器件擊穿電壓（BVDSS）測試功率開關器件的擊穿電壓是指當功率開關器件處于關閉狀態時，將C極和E極之間擊穿所需的電壓，其中fairchild一般以CE電流為250uA作為CE擊穿的標志。以FSB20CH60為例，CE端擊穿電壓測試圖如下：功率開關器件擊穿電壓（BVDSS）測試IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的擊穿電壓測試圖，其中IGBT的C極接高壓，E極接地，另外尤其要注意的是HVIC的VS端必須接地，這樣才能保證IGBT的柵極電平與E極的電平一致，從而使IGBT能處于關閉狀態。上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的擊穿電壓測試圖IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60下橋臂IGBT的擊穿電壓測試圖，其中IGBT的C極接高壓，E極接地，要注意的是LVIC的COM端必須接地，這樣才能保證IGBT的柵極電平與E極的電平一致，從而使IGBT能處于關閉狀態。上圖為FSB20CH60下橋臂IGBT的擊穿電壓測試

HVIC擊穿電壓（BVDSS）測試

HVIC即IPM內部的高壓驅動芯片，其主要功能是通過電荷泵的原理來驅動打開IPM內置的上橋臂功率管，由于應用時HVIC的VS端與IPM的輸出端是直接相連的，因此VS端也將承受高壓，HVIC的擊穿電壓測試就是指VS端與COM端之間被擊穿所需的電壓值。以FSB20CH60為例，VS端擊穿電壓測試圖如下：HVIC擊穿電壓（BVDSS）測試IPM原理及測試方法課件3.2高壓漏電流（IDSS）測試高壓漏電流（IDSS）的測試也包括兩部分，即IPM內置功率開關器件處于關閉狀態下的CE漏電流測試和IPM內置HVIC的高壓端（VS）漏電流測試，測試時的外圍線路連接與擊穿電壓測試時完全相同，也就是在功率開關器件的CE之間和VS對COM之間加上額定的高電壓，測試此時高電壓流出的漏電流。3.2高壓漏電流（IDSS）測試3.3正向導通電壓（VDSON）測試正向導通電壓是指IPM內置功率開關器件（IGBT）處于開啟狀態時，當CE之間流過一定值電流后，C極與E極之間的電壓差。以FSB20CH60為例，正向導通電壓測試圖如下：3.3正向導通電壓（VDSON）測試IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的導通電壓測試圖，其中IGBT的C極接高壓，E極接地，IN腳接入高電平，使IGBT處于導通狀態，然后使用電子恒流源給IGBT灌入額定值的電流，然后測試IGBTC極與E極之間的電壓差值。上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的導通3.4反向導通電壓（VSD）測試反向導通電壓是指IPM內置功率開關器件（IGBT）處于關閉狀態時，當從續流管流過一定值電流后，續流管兩極之間的電壓差。以FSB20CH60為例，反向導通電壓測試圖如下：3.4反向導通電壓（VSD）測試IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60S上橋臂反向導通電壓測試圖，其中IGBT處于關閉狀態，然后從IGBT的E極灌入額定的電流值，C極接地，此時IGBTE極與C極之間的電壓差值即為反向導通電壓。上圖為FSB20CH60S上橋臂反向導通電壓測試3.5HVIC高側靜態電流(IBS)測試

HVIC高側靜態電流是指HVIC在正常工作時，VB和VS之間流入的電流，需要在IN腳輸入電平在高低兩種電平條件下分別進行測試。測試圖如下：3.5HVIC高側靜態電流(IBS)測試IPM原理及測試方法課件高壓側靜態電流（IBS）是一項非常關鍵的參數，由于IPM在正常工作時，上橋臂IGBT的開啟必須通過電荷泵自舉的方式進行供電，因此給HVIC的高壓側供電的實際上是VB-VS之間的電容。由于客戶從成本角度考慮，往往使用容值很低的電容作為VB-VS之間的電容，這樣就對IBS提出了要求，如果IBS很大，那VB-VS電容將無法提供足夠的電流，從而導致上橋臂的IGBT無法開啟。自舉時系統工作圖如下：高壓側靜態電流（IBS）是一項非常關鍵的參數，由于IIPM原理及測試方法課件3.6熱阻(R?JC)測試熱阻是表征IPM電路散熱性的重要參數，由于IPM往往內置多個功率器件，因此對于散熱的要求非常高，如果電路的熱阻不佳，將導致功率器件產生的熱量無法及時散發，使IPM內部的電路處于高溫的工作狀態，這將使IPM的使用壽命和性能都受到影響。3.6熱阻(R?JC)測試熱阻的精確測試需要購置專用的儀器，這里將介紹一種簡易的測試方法，雖然無法很精確的定量測試出熱阻值，但可以定性地表征出IPM的熱阻特性，尤其是可以用于不同產品之間的對比。以FSB20CH60為例，熱阻測試圖如下：熱阻的精確測試需要購置專用的儀器，這里將介紹IPM原理及測試方法課件如上圖所示，首先使所有的6路輸入為高，將6個IGBT全部打開。然后使用恒流源向IPM灌入額定的電流，電流通過IPM直接流入GND，這樣將使所有的耗散功率都在加在IPM之上，通過調節恒流源的輸出電流I，將可以得到不同的耗散功率P，然后測試不同P下面的IPM表面溫度T，這樣就可以得到P-T曲線，用于表征IPM熱阻特性。

如上圖所示，首先使所有的6路輸入為高，將6個I3.7上升沿時間（Tr）和下降沿時間(Tf)測試上升沿時間和下降沿時間是指IPM在工作狀態時，輸出口電壓波形從0V上升到最高點所需的時間和從最高點下降到0V所需的時間，是表征功率開關器件開關特性的重要參數。以SD05M50為例，測試圖如下：3.7上升沿時間（Tr）和下降沿時間(Tf)測試IPM原理及測試方法課件如上圖，主要測試SD05M50下橋臂MOSFET的上升沿時間和下降沿時間，對于IPM而言，MOSFET的上升沿時間和下降沿時間可以通過內置HVIC的輸出口阻抗來進行調整，不同的沿時間可以形成不同規格的IPM，對于上升沿時間和下降沿時間的調整必須十分慎重，時間過短將造成對功率器件較強的電流沖擊，使功率器件容易損壞，同時也會對系統中的其他部件產生較強的干擾；而時間過長則會造成功率器件開關損耗變大，導致功率器件發熱量變大。如上圖，主要測試SD05M50下橋臂MOSFET的3.8上升延遲時間（Ton）和下降延遲時間(Toff)和(Trr)測試上升延遲時間和下降延遲時間是指IPM的輸出口的上升沿和下降沿對于輸入信號的延遲時間。反向恢復時間主要是指與功率開關器件并聯的二極管的反向恢復時間。簡單來說，當二極管由正向導通轉成反向截止時，會在一小段時間內出現反向導通的現象，這段反向導通的時間就是所謂的反向恢復時間。以SD05M50為例，測試圖如下：3.8上升延遲時間（Ton）和下降延遲時間(Toff)和IPM原理及測試方法課件如上圖，可以得到相關的如下波形：如上圖，可以得到相關的如下波形：由上圖可知，上升延遲時間即VIN由低變高和VDS由高變低之間的時間差，下降延遲時間即VIN由高變低和VDS由低變高之間的時間差。反向恢復時間需要用專用儀器測試，用示波器測試誤差較大。由上圖可知，上升延遲時間即VIN由低變高和V3.9單脈沖雪崩能量(EAS)測試單脈沖雪崩能量是指IPM內置的功率管在單次雪崩狀態下，能夠消耗的最高能量。以SD05M50為例，測試圖如下：3.9單脈沖雪崩能量(EAS)測試IPM原理及測試方法課件上圖為SD05M50下橋臂MOSFET的EAS測試圖，由上圖可以得到如下的測試波形：

上圖為SD05M50下橋臂MOSFET的EAS測試圖，由上圖通過增加VIN的脈沖寬度，使得VDS和Id的最高值不停的增加，測試當功率開關器件出現損壞時的VDS和Id，則EAS=VDS*Id。通過增加VIN的脈沖寬度，使得VDS和Id的最高值3.10短路耐量電流(ISC)測試短路耐量電流是指在IPM內置的功率開關器件在額定的開啟時間中，能夠承受的最大流過電流。以SD05M50為例，測試圖如下：3.10短路耐量電流(ISC)測試上圖為SD05M50下橋臂MOSFET的ISC測試圖，由上圖可以得到如下的測試波形：上圖為SD05M50下橋臂MOSFET的ISC測試圖IPM原理及測試方法課件固定VIN的高電平脈沖寬度，然后通過增加VDC的電壓值，使得Id不停地增高，測試當SD05M50內置MOSFET開始出現損壞時的Id值。固定VIN的高電平脈沖寬度，然后通過增加VDC的電壓Thankyou!Thankyou!Page

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FaithEnduranceExplorationEnthusiasmIPM原理及測試方法Page1誠信忍耐1.IPM的定義及基本結構框圖1.IPM的定義及基本結構框圖IPM即智能功率模塊（IntelligentPowerModule），是一種把功率開關器件和門極驅動電路集成在一起的電力集成電路，其在電力電子領域的應用非常廣泛。在IPM中不僅集成了高效的功率開關器件（MOSFET，IGBT）和優化過的門極驅動電路，往往還內藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測電路。IPM即智能功率模塊（IntelligentPowerMPage

58IPM的基本結構Page4IPM的基本結構一種典型的IPM電路FSB20CH60的內部結構圖

一種典型的IPM電路FSB20CH60的內部結構圖SD05M50D的內部結構圖

SD05M50D的內部結構圖

IPM與以往傳統的功率開關模塊與驅動電路的分立組件相比具有如下特點：1.內含驅動電路。設定了最佳的功率器件驅動條件，驅動電路與功率器件柵極之間的距離很短，輸出阻抗很低，因此，不易受干擾，更不需要加反向偏壓。2.內含過電流保護和短路保護模塊。由于是通過檢測各功率器件集電極電流實現保護的，故不管哪個器件發生異常，都能保護，特別是下橋臂短路和對地短路的保護，同時由于可以直接關斷，因此反應時間也比依靠MCU關斷的分立組件要短。IPM與以往傳統的功率開關模塊與驅動電路的分立組件Page

623.內含驅動電源欠電壓保護(UV)。每個驅動電路都具有UV保護功能。當驅動電源電壓VCC小于規定值UV時，產生欠電壓保護。4.內含過熱保護。過熱保護是防止內部功率器件IGBT、FRD等過熱的保護功能。能對于芯片的異常發熱實現保護。Page83.內含驅動電源欠電壓保護(UV)。每個驅動電路Page

635.內含報警輸出功能(ALM)。ALM是向外部輸出故障報警的一種功能，當出現過熱，過流，以及UV保護動作時，通過向控制IPM的微機輸出異常信號，能切實停止系統，保護系統不受異常故障的損壞。Page95.內含報警輸出功能(ALM)。ALMPage

642.IPM的驅動控制方法簡介Page102.IPM的驅動控制方法簡介Page

65120度（方波）和180度（正弦波）控制方式簡介

IPM的一個重要應用領域就是無刷直流電機（BLDC）領域，目前我們所拿到的無刷直流電機的驅動方式主要有兩種，分別為120度驅動和180度驅動，其中120度驅動方式中每一相的導通角度為120度，電流輸出信號為矩形；180度驅動方式中每一相的導通角度為180度，電流輸出信號為正弦波。下圖分別為三相無刷直流電機中采用120度驅動方式和180度驅動方式時的輸入信號。Page11120度（方波）和180度（正弦波）控制方式簡（180度驅動方式）（180度驅動方式）Page

67（120度驅動方式）Page13（120度驅動方式）Page

68由上圖可知，由于工作在120度驅動方式時IPM中的每一個功率開關器件只在1/3周期中有開關動作，因此工作在120度驅動方式時IPM的開關損耗比工作在180度驅動方式時要少很多。Page14由上圖可知，由于工作在120度驅3.IPM重點參數及測試方法介紹

3.IPM重點參數及測試方法介紹Page

703.1擊穿電壓（BVDSS）測試IPM的擊穿電壓測試包括兩部分，一部分是指對IPM內置功率開關器件（IGBT）的CE端擊穿電壓測試，另外一部分是指對IPM內置高壓驅動電路（HVIC）的高壓端（VS）的擊穿電壓測試。Page163.1擊穿電壓（BVDSS）測試功率開關器件擊穿電壓（BVDSS）測試功率開關器件的擊穿電壓是指當功率開關器件處于關閉狀態時，將C極和E極之間擊穿所需的電壓，其中fairchild一般以CE電流為250uA作為CE擊穿的標志。以FSB20CH60為例，CE端擊穿電壓測試圖如下：功率開關器件擊穿電壓（BVDSS）測試IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的擊穿電壓測試圖，其中IGBT的C極接高壓，E極接地，另外尤其要注意的是HVIC的VS端必須接地，這樣才能保證IGBT的柵極電平與E極的電平一致，從而使IGBT能處于關閉狀態。上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的擊穿電壓測試圖IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60下橋臂IGBT的擊穿電壓測試圖，其中IGBT的C極接高壓，E極接地，要注意的是LVIC的COM端必須接地，這樣才能保證IGBT的柵極電平與E極的電平一致，從而使IGBT能處于關閉狀態。上圖為FSB20CH60下橋臂IGBT的擊穿電壓測試

HVIC擊穿電壓（BVDSS）測試

HVIC即IPM內部的高壓驅動芯片，其主要功能是通過電荷泵的原理來驅動打開IPM內置的上橋臂功率管，由于應用時HVIC的VS端與IPM的輸出端是直接相連的，因此VS端也將承受高壓，HVIC的擊穿電壓測試就是指VS端與COM端之間被擊穿所需的電壓值。以FSB20CH60為例，VS端擊穿電壓測試圖如下：HVIC擊穿電壓（BVDSS）測試IPM原理及測試方法課件3.2高壓漏電流（IDSS）測試高壓漏電流（IDSS）的測試也包括兩部分，即IPM內置功率開關器件處于關閉狀態下的CE漏電流測試和IPM內置HVIC的高壓端（VS）漏電流測試，測試時的外圍線路連接與擊穿電壓測試時完全相同，也就是在功率開關器件的CE之間和VS對COM之間加上額定的高電壓，測試此時高電壓流出的漏電流。3.2高壓漏電流（IDSS）測試3.3正向導通電壓（VDSON）測試正向導通電壓是指IPM內置功率開關器件（IGBT）處于開啟狀態時，當CE之間流過一定值電流后，C極與E極之間的電壓差。以FSB20CH60為例，正向導通電壓測試圖如下：3.3正向導通電壓（VDSON）測試IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的導通電壓測試圖，其中IGBT的C極接高壓，E極接地，IN腳接入高電平，使IGBT處于導通狀態，然后使用電子恒流源給IGBT灌入額定值的電流，然后測試IGBTC極與E極之間的電壓差值。上圖為FSB20CH60上橋臂IGBT的導通3.4反向導通電壓（VSD）測試反向導通電壓是指IPM內置功率開關器件（IGBT）處于關閉狀態時，當從續流管流過一定值電流后，續流管兩極之間的電壓差。以FSB20CH60為例，反向導通電壓測試圖如下：3.4反向導通電壓（VSD）測試IPM原理及測試方法課件上圖為FSB20CH60S上橋臂反向導通電壓測試圖，其中IGBT處于關閉狀態，然后從IGBT的E極灌入額定的電流值，C極接地，此時IGBTE極與C極之間的電壓差值即為反向導通電壓。上圖為FSB20CH60S上橋臂反向導通電壓測試3.5HVIC高側靜態電流(IBS)測試

HVIC高側靜態電流是指HVIC在正常工作時，VB和VS之間流入的電流，需要在IN腳輸入電平在高低兩種電平條件下分別進行測試。測試圖如下：3.5HVIC高側靜態電流(IBS)測試IPM原理及測試方法課件高壓側靜態電流（IBS）是一項非常關鍵的參數，由于IPM在正常工作時，上橋臂IGBT的開啟必須通過電荷泵自舉的方式進行供電，因此給HVIC的高壓側供電的實際上是VB-VS之間的電容。由于客戶從成本角度考慮，往往使用容值很低的電容作為VB-VS之間的電容，這樣就對IBS提出了要求，如果IBS很大，那VB-VS電容將無法提供足夠的電流，從而導致上橋臂的IGBT無法開啟。自舉時系統工作圖如下：高壓側靜態電流（IBS）是一項非常關鍵的參數，由于IIPM原理及測試方法課件3.6熱阻(R?JC)測試熱阻是表征IPM電路散熱性的重要參數，由于IPM往往內置多個功率器件，因此對于散熱的要求非常高，如果電路的熱阻不佳，將導致功率器件產生的熱量無法及時散發，使IPM內部的電路處于高溫的工作狀態，這將使IPM的使用壽命和性能都受到影響。3.6熱阻(R?JC)測試熱阻的精確測試需要購置專用的儀器，這里將介紹一種簡易的測試方法，雖然無法很精確的定量測試出熱阻值，但可以定性地表征出IPM的熱阻特性，尤其是可以用于不同產品之間的對比。以FSB20CH60為例，熱阻測試圖如下：熱阻的精確測試需要購置專用的儀器，這里將介紹IPM原理及測試方法課件如上圖所示，首先使所有的6路輸入為高，將6個IGBT全部打開。然后使用恒流源向IPM灌入額定的電流，電流通過IPM直接流入GND，這樣將使所有的耗散功率都在加在IPM之上，通過調節恒流源的輸出電流I，將可以得到不同的耗散功率P，然后測試不同P下面的IPM表面溫度T，這樣就可以得到P-T曲線，用于表征IPM熱阻特性。

如上圖所示，首先使所有的6路輸入為高，將6個I3.7上升沿時間（Tr）和下降沿時間(Tf)測試上升沿時間和下降沿時間是指IPM在工作狀態時，輸出口電壓波形從0V上升到最高點所需的時間和從最高點下降到0V所需的時間，是表征功率開關器件開關特性的重要參數。以SD05M50為例，測試圖如下：3.7上升沿時間（Tr）和下降沿時間(Tf)測試IPM原理及測試方法課件如上圖，主要測試SD05M50下橋臂MOSFET的上升沿時間和下降沿時間，對于IPM而言，MOSFET的上升沿時間和下降沿時間可以通過內置HVIC的輸出口阻抗來進行調整，不同的沿時間可以形成不同規格的IPM，對于上升沿時間和下降沿時間的調整必須十分慎重，時間過短將造成對功率器件較強的電流沖擊，使功率器件容易損壞，同時也會對系統中的其他部