早在1997年，三菱电机就在电力电子行业率先提出了DIPIPM概念，该概念集成了功率半导体(包含IGBT和FWD的三相逆变器级)、LVIC(低压集成电路)和HVIC(高压集成电路)门极驱动器以及保护逻辑电路，适用于高性价比的逆变器应用[1]。此后，三菱电机持续开发了不同型号的DIPIPM系列产品，涵盖600V和1200V电压等级、多种输出电流等级及更多拓扑结构[2]。DIPIPM开发的主要目标始终是通过提供低损耗、小型化的DIPIPM来提高功率级的功率密度，从而满足环保、高效、轻量化逆变器级的设计需求[3]。

新推出的COMPACT DIPIPM系列，电流/电压等级为30A-50A/600V，主要面向家电空调(PAC)、热泵压缩机驱动及工业机械电机驱动等应用。该系列在保持与Mini DIPIPM系列相同绝缘电压(2500Vrms/1分钟)的同时，封装尺寸减小了43%，因此能够以小型封装和更低成本覆盖更广泛的逆变器输出功率容量。COMPACT DIPIPM集成了6颗RC-IGBT、1颗HVIC、1颗LVIC和3颗BSD(自举二极管)[4]。

COMPACT DIPIPM的内部原理图与封装概念

为实现小型化和低成本，COMPACT DIPIPM采用了RC-IGBT技术，该技术将IGBT和FWD(续流二极管)集成在单个芯片中。封装内的HVIC和LVIC不仅负责驱动功率开关，还提供保护和反馈功能，如欠压保护(UV)、短路保护(SC，仅适用于下桥臂)、模拟温度输出(VOT)、防止P-N臂间短路的互锁电路以及故障输出(Fo，仅在下桥臂UV和SC保护时激活)。集成的自举二极管使得器件仅需单路15V电源即可工作。

图1

COMPACT DIPIPM的外形图、内部原理图和内部横截面结构分别如图1、图2和图3所示。

图2

图3

图4

COMPACT DIPIPM的特点

封装尺寸减小

COMPACT DIPIPM采用了RC-IGBT技术，将IGBT和FWD集成在单个芯片中，从而使功率芯片总数减半(图4)。与三菱电机传统的600V和1200V Mini DIPIPM相比，COMPACT DIPIPM在相同电压等级下实现相同电流能力所需的封装尺寸减少了43%，如图5所示。

图5

尽管COMPACT DIPIPM的封装尺寸减小了，但其散热面与端子之间采用深台阶横截面结构设计，确保了爬电距离(4mm)和电气间隙(3.2mm)的典型值，从而能够保持与Mini DIPIPM相同的绝缘电压(2500Vrms/1分钟)，如图6所示。

图6

简化布局布线

Mini DIPIPM包含3颗HVIC，分别驱动每个P侧功率开关，需要对每个高侧进行单独的电源轨布线。而COMPACT DIPIPM采用了先进的HVIC设计，将所有P侧驱动级集成在单个元件中，从而简化了高侧电源的布线。因此，BSC电路设计得到进一步简化和增强，控制电源端子、GND端子以及输入信号端子无需相互交叉，如图7所示。

图7

降低热阻

COMPACT DIPIPM集成了第3代RC-IGBT(3rd RC-IGBT)。RC-IGBT中的IGBT部分和二极管部分相互散热，从而在降低热阻的同时提高功率密度[5][6]。图中展示了第2代RC-IGBT(2nd RC-IGBT)和第3代RC-IGBT的二极管布局。与第2代RC-IGBT相比，第3代RC-IGBT的散热性能通过以下两个方面得到改善：i. 二极管以岛状图案更密集地排列;ii. IGBT与二极管之间的边界长度增加(图8)。

热阻的降低不仅限于芯片级别的改进，还归功于COMPACT DIPIPM中使用的绝缘片结构，其导热系数比Mini DIPIPM绝缘片高出约70%。

图8

附加功能

COMPACT DIPIPM具备BSD功能和用于监测LVIC温度的VOT功能，前者可用于从单路15V电源生成高侧控制电源，后者使控制系统能够监测LVIC温度以设置过温保护。

此外，集成的互锁功能通过在不输出Fo信号的情况下关断相应的N侧开关，防止P侧和N侧同时导通，有助于系统安全运行(图9)。

图9

电气特性

COMPACT DIPIPM的开通和关断波形分别如图10和图11所示。从图中可以看出，在开通期间未观察到振荡，而在关断期间尾电流快速平滑下降。

图10

图11

同时，在以下条件下对50A COMPACT DIPIPM(PSS50SF1F6)和带BSD的50A Mini DIPIPM(PSS50S71F6)进行了损耗仿真：调制方式SVPWM，Vcc=390V，IO=25Arms，PF=0.97，M=1，fc=6.6kHz，fo=60Hz，VD=VDB=15V。如图12所示，与带BSD的Mini DIPIPM相比，COMPACT DIPIPM通过减小封装尺寸、减薄芯片厚度以及优化驱动能力，总损耗降低了8.5%。

图12

条件：SVPWM，Vcc=390V，Io=25Arms，PF=0.97，M=1，fc=6.6kHz，fo=60Hz，VD=VDB=15V

结论

COMPACT DIPIPM采用了RC-IGBT技术，与上一代Mini DIPIPM系列相比，在实现更小封装的同时，保持更低或相近的损耗水平，并通过优化的引脚布局简化了电路板布局设计。COMPACT DIPIPM是面向PAC和小功率工业驱动器紧凑型功率逆变器级设计的理想DIPIPM选择。