盡管智能功率模塊(Intelligent Power Module，簡稱IPM)的應(yīng)用已有相當(dāng)長的一段時間，在某些終端市場也屬于比較成熟的一類產(chǎn)品，但隨著近年來市場應(yīng)用需求的快速擴(kuò)展，也推動IPM產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格更加多元化。根據(jù)相關(guān)行業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2013年全球智能功率模塊的市場規(guī)模約為17.6億美元，未來幾年內(nèi)將保持20%左右的增長速度。 IPM設(shè)計(jì)所涉及的綜合技術(shù)包括功率器件、驅(qū)動器IC、封裝以及系統(tǒng)優(yōu)化等，這也令該類產(chǎn)品的未來發(fā)展與封裝技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)的開發(fā)路線息息相關(guān)。在功率器件方面，傳統(tǒng)IPM包含用于較高電壓的IGBT及用于較低電壓的MOSFET，而未來的IPM將越來越多地利用先進(jìn)的功率器件，如超結(jié)FET、組合功率器件，甚至是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)器件等；此外，集成模擬功能及封裝技術(shù)也將因應(yīng)新型功率器件而不斷演進(jìn)，從而支持更高的工作頻率，減小寄生參數(shù)，優(yōu)化散熱性能。 新興市場應(yīng)用條件逐步成熟 長期以來，電器和工業(yè)領(lǐng)域都是IPM的主力需求市場。特別是家電行業(yè)，由于在洗衣機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)中采用了大量的高級電子控制解決方案，使得MHA(主要家用電器)部分成為了IPM的重點(diǎn)市場之一。同時，值得關(guān)注的是，隨著近年來工業(yè)自動化、汽車電子等新興市場的應(yīng)用條件逐步成熟，IPM在這些專業(yè)領(lǐng)域中的使用比例也在日漸增長。

威柏電子有限公司汽車電子/工業(yè)及新能源事業(yè)部總監(jiān)楊同禮

對此，威柏電子有限公司汽車電子/工業(yè)及新能源事業(yè)部總監(jiān)楊同禮分析道，在伺服器行業(yè)中，IPM正面臨普通IGBT模塊的競爭，產(chǎn)品價格走低，但會保持一定的距離；在變頻空調(diào)應(yīng)用中，因?yàn)檫M(jìn)入廠商較多，加之面對消費(fèi)類市場的要求，因而也存在較大的價格競爭壓力；在新能源汽車領(lǐng)域，則面臨更高的功率要求；在自動化行業(yè)中，IPM被運(yùn)用在機(jī)器人手臂控制系統(tǒng)中，代替人工操作，來應(yīng)對人力成本升高的壓力?！笆袌鲂枨蟮臄U(kuò)大，帶來了對寬范圍IPM的強(qiáng)烈需求，IPM的開發(fā)需要在芯片本身和驅(qū)動IC方面具備極高的制造工藝水平和技術(shù)積累，所以只有少數(shù)幾家廠商有能力供應(yīng)。威柏目前主要供應(yīng)FUJI V-IPM及空調(diào)專用IPM，產(chǎn)品已應(yīng)用在國內(nèi)主流的家用/商用空調(diào)、機(jī)床伺服及機(jī)器人、電動汽車等領(lǐng)域?！?

國際整流器公司產(chǎn)品營銷和戰(zhàn)略推廣開發(fā)部副總裁Alberto Guerra

市場的快速變化迫切要求IPM面向?qū)嶋H應(yīng)用，在更廣泛的功率級中增加靈活性，能完全滿足成品的各種功率級。國際整流器公司(International Rectifier，IR)產(chǎn)品營銷和戰(zhàn)略推廣開發(fā)部副總裁Alberto Guerra表示：“此前，IPM一般只限制在400W電機(jī)以上的電源應(yīng)用中，但是現(xiàn)在的市場需求可能擴(kuò)展到低至50W，且最高升至數(shù)萬瓦(適用于工業(yè)應(yīng)用)?？傊?，IPM廠商正經(jīng)歷著靈活設(shè)計(jì)、可生產(chǎn)性和可升級性方面的探索。其中，可升級性指的是可共享相同的模塊設(shè)計(jì)及相同的波形因數(shù)(完全相同的引腳輸出配置和功能性)?！?

安森美半導(dǎo)體智能功率模塊(IPM)業(yè)務(wù)部主管Chris Chey

另一方面，與其它替代的分立元件解決方案相比，簡單易用、縮減SKU和減少空間等應(yīng)用優(yōu)勢也成了帶動IPM市場快速發(fā)展的另一大內(nèi)部因素。 “例如在空間受限的電源應(yīng)用中設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時，”安森美半導(dǎo)體智能功率模塊(IPM)業(yè)務(wù)部主管Chris Chey介紹道，“由于涵蓋多個復(fù)雜功率電路，如三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此要求具有更精心的功率電路設(shè)計(jì)及散熱設(shè)計(jì)。采用智能功率模塊不僅可以在這類應(yīng)用中節(jié)省空間及降低系統(tǒng)成本，還能為客戶減輕某些關(guān)鍵功率電路及散熱的設(shè)計(jì)工作。” 據(jù)了解，安森美半導(dǎo)體的IPM產(chǎn)品全部在越南的全新封裝廠完成生產(chǎn)制造，目前中國已成為其全球最大的市場并預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)將保持穩(wěn)定增長。 本文為《國際電子商情》原創(chuàng)，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 本文下一頁：低端市場價格壓力增大

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{pagination} 低端市場價格壓力增大 在典型的白色家電應(yīng)用中，涉及到廣泛的終端產(chǎn)品及功率范圍，造成對IPM產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)出兩極化的分化趨勢。具體來說，則是低端產(chǎn)品需要簡化及更低成本的封裝結(jié)構(gòu)，而高端產(chǎn)品則要求能同時集成更多功能及耗散更多功率的功率封裝形式。尤其是低端市場的產(chǎn)品價格壓力增大，是當(dāng)前大部分IPM廠商所面對的主要挑戰(zhàn)之一，也使得這些廠商紛紛尋找能夠?qū)崿F(xiàn)成本控制的最佳解決途徑。 談到IPM產(chǎn)品成本的下降阻力，楊同禮認(rèn)為，由于IPM需要使用專門的驅(qū)動IC及特制的芯片，因而使得其成本難以降低；并且更高的效率要求還需要在驅(qū)動IC和功率器件芯片的設(shè)計(jì)上取得同步進(jìn)展，以提高集成度。為了滿足上述應(yīng)用需求，就有必要采用新一代功率器件技術(shù)或新材料(如SiC)，令I(lǐng)PM在集成度和成本上得以改善。 從IPM的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，Guerra指出：“IPM的未來與封裝技術(shù)的趨勢、以及半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步密不可分。在封裝方面，我們預(yù)見到了一個不變的趨勢，即更高的功率密度并縮減尺寸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高水平的集成(數(shù)字控制和額外的保護(hù)特性)。其次，在先進(jìn)的技術(shù)工藝上，如用于半導(dǎo)體芯片貼附的真空回流焊，是當(dāng)前IPM開發(fā)中迅速采用的一項(xiàng)重要創(chuàng)新。同時我們預(yù)計(jì)，僅基于引線框架構(gòu)，如QFN的移植，將使得這類IPM產(chǎn)品可以為元件級供應(yīng)商以及電路板組裝成本級客戶帶來更高的成本縮減方案?！绷硗猓a(bǔ)充道，在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用中，更高效的硅基功率開關(guān)將迅速轉(zhuǎn)向GaN基MOSFET，功耗將會顯著降低，效率的提升將使無散熱解決方案的實(shí)現(xiàn)成為可能，這也將進(jìn)一步有利于成本控制。 目前，在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，IR一方面專注于新的功率器件和封裝技術(shù)發(fā)展路線圖的優(yōu)化，不斷提升散熱性能、功率的可升級性和生產(chǎn)自動化能力，以實(shí)現(xiàn)更具有競爭力的產(chǎn)品成本；另一方面則集中精力提高基準(zhǔn)的、高壓柵極驅(qū)動器集成電路的堅(jiān)固耐用性和產(chǎn)品性能，并且通過實(shí)現(xiàn)功率半導(dǎo)體平臺、IGBT和高壓MOSFET的最小功耗，來持續(xù)提高產(chǎn)品的功率級。今年，IR推出了第二代(Gen2)IRAM系統(tǒng)級封裝(SIP)系列IPM產(chǎn)品，借助先進(jìn)的溝槽絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和下一代三相柵極驅(qū)動IC，該模塊具有業(yè)界領(lǐng)先的熱機(jī)械技術(shù)，且通過提供更高的功率密度和增強(qiáng)的系統(tǒng)堅(jiān)固耐用與可靠性，大幅提高了散熱性能和系統(tǒng)效率。另外，IR新型μIPM-DIP系列高集成解決方案適用于低功耗電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用，包括風(fēng)扇、泵、空氣凈化器和冰箱壓縮機(jī)驅(qū)動，利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳占位和與多種PCB基底相兼容的工藝，可實(shí)現(xiàn)緊湊的12×29mm SOP/DIP封裝，并作為高性價比功率解決方案加以推出。 本文為《國際電子商情》原創(chuàng)，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 本文下一頁：更為豐富的智能化功能

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{pagination} 更為豐富的智能化功能 根據(jù)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，在一個功率封裝內(nèi)增加一顆預(yù)驅(qū)動器IC就符合IPM產(chǎn)品的定義。然而，隨著技術(shù)的不斷更新，這一定義已僅僅適用于低端市場；而在越來越多的高端及典型應(yīng)用中，IPM還需要集成更多的模擬及混合信號功能，從變頻器換向、保護(hù)及診斷、輸入接口，到其它外圍功能等等，不一而足，也大大提高了IPM的智能化水平。 從帶有模擬HVIC前端的正規(guī)IPM，以及完整的數(shù)字控制前沿的先進(jìn)IPM這兩個角度，Guerra更為詳細(xì)地比較道，前者是目前數(shù)量最大的產(chǎn)品線，IR的IPM具有HV柵極驅(qū)動器IC的全系列頻譜功能，這種IC技術(shù)在耐用性和可靠性方面在行業(yè)內(nèi)設(shè)立了基準(zhǔn)，且在過去十年中的眾多節(jié)能應(yīng)用變速電機(jī)控制系統(tǒng)中得到了大規(guī)模應(yīng)用，包括完全的防直通邏輯、延遲匹配、死區(qū)時間控制、過流保護(hù)、過溫保護(hù)和欠壓保護(hù)等都是IPM前端部分的標(biāo)準(zhǔn)功能，而開路源極/開路發(fā)射極輸出引腳也是由IR首創(chuàng)且現(xiàn)今仍是IR的標(biāo)準(zhǔn)輸出功率級配置。所有的這些智能特性可以實(shí)現(xiàn)高級能效變速電機(jī)控制的堅(jiān)固、快速和無障礙設(shè)計(jì)。另外，在帶有數(shù)字前端的IPM中，所展現(xiàn)出的智能功能更是無限，例如IR開發(fā)的iMotion系列包括先進(jìn)緊湊的IPM產(chǎn)品，具有完全的數(shù)字控制性能，這些產(chǎn)品運(yùn)用12×12 QFN封裝，從本質(zhì)上是一個采用封裝的完整電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。 以FUJI最新推出的V系列芯片(V-IPM)為例，其智能化功能表現(xiàn)為：FUJI自主設(shè)計(jì)的驅(qū)動IC內(nèi)置驅(qū)動電路；多種內(nèi)置保護(hù)電路(OC過流保護(hù)、SC短路保護(hù)、UV電源欠壓保護(hù)、結(jié)溫過熱保護(hù)，及這些保護(hù)對應(yīng)的故障信號輸出)；以及部分規(guī)格內(nèi)置制動電路等。其中，通過對芯片的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，V-IPM具有更低的損耗、更高的功率范圍及過載特性，報(bào)警輸出信號的優(yōu)化可用于識別系統(tǒng)消失的根源，更緊湊的封裝設(shè)計(jì)有利于縮減電力電子系統(tǒng)的體積。 “在IPM產(chǎn)品中，智能化主要體現(xiàn)在IGBT的驅(qū)動/保護(hù)上，這是由模塊內(nèi)置的控制IC來實(shí)現(xiàn)的，”三菱電機(jī)機(jī)電(上海)有限公司高級經(jīng)理何洪濤說，“目前的產(chǎn)品中保護(hù)功能主要包括短路保護(hù)(或過流保護(hù))、控制電源欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等，在三菱電機(jī)新一代的DIPIPM系列中還有溫度輸出功能以及自舉電路功能?！彼硎荆哂辛诉@些功能之后，一方面可以讓客戶從相關(guān)的繁瑣電路設(shè)計(jì)中解脫出來，使用起來方便，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期；另一方面也使得模塊自身的運(yùn)行更加安全可靠，為客戶帶來了更高的附加價值。 本文為《國際電子商情》原創(chuàng)，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載 本文下一頁：跟上快速的產(chǎn)品開發(fā)周期

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{pagination} 跟上快速的產(chǎn)品開發(fā)周期 為了保持企業(yè)的競爭力及配合客戶不斷演變的使用需求，終端設(shè)備的產(chǎn)品更新周期正在持續(xù)縮短，為此，越來越多的客戶期望IPM產(chǎn)品的開發(fā)時間及代際進(jìn)步速度也可以與功率器件的發(fā)展同步?！爱吘箍蛻敉ǔPM視作功率段產(chǎn)品，但從產(chǎn)品定義來看，IPM產(chǎn)品包含一顆或多顆模擬IC，這些模擬IC的開發(fā)周期一般要比功率器件長，因此，要求模擬IC產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)展與功率器件及封裝同步，常常是最大的挑戰(zhàn)所在。”Chey說道。 要解決這一難題，企業(yè)在早期的產(chǎn)品規(guī)劃路線圖以及與IC產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊(duì)的密切協(xié)作上就顯得至關(guān)重要。Chey進(jìn)一步介紹道，憑借功率器件及電源管理集成電路(PMIC)的寬廣產(chǎn)品陣容，安森美半導(dǎo)體在開發(fā)過程中，會首先推出標(biāo)準(zhǔn)品，以展示能夠提供的產(chǎn)品特性，再由此快速衍生出定制化的產(chǎn)品，以幫助客戶實(shí)現(xiàn)更短的產(chǎn)品開發(fā)周期。例如在某些應(yīng)用中，客戶要求采用系統(tǒng)級封裝(SiP)，安森美就會根據(jù)客戶需求，在IPM中集成控制器及其它外圍功能。 例如，在競爭日漸激烈的家電市場，更輕、更高效的電機(jī)應(yīng)用有助于達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，為了協(xié)助設(shè)計(jì)人員加快針對小于100 W小功率電機(jī)的開發(fā)，F(xiàn)airchild新推出的Motion SPM7智能功率模塊在裝配空間有限的機(jī)構(gòu)內(nèi)提供了緊湊而可靠的小功率電機(jī)驅(qū)動方案。其內(nèi)部設(shè)有六個快速恢復(fù)MOSFET(FRFET)和一個三相HVIC，F(xiàn)RFET功率模塊具有較佳的耐用性和更大的安全工作區(qū)(SOA)；HVIC的溫度感測功能強(qiáng)化了系統(tǒng)可靠性，同時提供與HVIC溫度成比例的模擬電壓，用于監(jiān)控模塊溫度和針對過溫情況實(shí)施必要的保護(hù)，該系列還采用高性能PQFN封裝，可節(jié)省一半的電路板空間。 何洪濤也表示，為了跟上迅速變化的市場節(jié)奏，三菱電機(jī)會根據(jù)市場需求及時調(diào)整產(chǎn)能，滿足新老客戶不斷擴(kuò)大的應(yīng)用需求，就DIPIPM來說，根據(jù)這幾年中國變頻家電尤其是變頻空調(diào)的發(fā)展，三菱已將相關(guān)模塊的產(chǎn)能提高至年產(chǎn)數(shù)千萬片的水平，以滿足未來數(shù)年的發(fā)展需要。同時，在技術(shù)支持方面，三菱電機(jī)在國內(nèi)建立了數(shù)量龐大和應(yīng)用技術(shù)能力較強(qiáng)的電力半導(dǎo)體模塊技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)；此外，三菱電機(jī)功率器件日本制作所的技術(shù)人員也會為國內(nèi)客戶提供深入的技術(shù)支持，兩者密切配合，力爭為國內(nèi)客戶提供快速、優(yōu)質(zhì)的技術(shù)服務(wù)。 在產(chǎn)品的未來研發(fā)上，三菱電機(jī)封裝形式更小的下一代DIPIPM正在開發(fā)之中，預(yù)計(jì)將不留現(xiàn)有DIPIPM產(chǎn)品的內(nèi)置功能外，其體積更小、功耗更低，成本也有望進(jìn)一步降低，以適應(yīng)變頻家電對功率模塊的小型化、高可靠性、低成本要求。而對于傳統(tǒng)IPM產(chǎn)品，下一代的G系列IPM產(chǎn)品也處于開發(fā)中，包括G1系列和G2系列，采用三菱第7代IGBT硅片技術(shù)，功耗將進(jìn)一步降低；采用全新的封裝形式，熱阻會進(jìn)一步降低；在模塊內(nèi)置功能上，G1系列采用與現(xiàn)有IPM基本相同的形式，但增加故障報(bào)警辨識信號，而G2系列除了上述功能外，還將增加溫度輸出功能、開關(guān)速度模式選擇以及自舉電路功能(外部控制電源由原來的4路減少到2路)等。 本文為《國際電子商情》原創(chuàng)，版權(quán)所有，謝絕轉(zhuǎn)載

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