尽管智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)的应用已有相当长的一段时间，在某些终端市场也属于比较成熟的一类产品，但随着近年来市场应用需求的快速扩展，也推动IPM产品的技术规格更加多元化。根据相关行业调研机构的统计数据显示，2013年全球智能功率模块的市场规模约为17.6亿美元，未来几年内将保持20%左右的增长速度。
IPM设计所涉及的综合技术包括功率器件、驱动器IC、封装以及系统优化等，这也令该类产品的未来发展与封装技术、半导体技术的开发路线息息相关。在功率器件方面，传统IPM包含用于较高电压的IGBT及用于较低电压的MOSFET，而未来的IPM将越来越多地利用先进的功率器件，如超结FET、组合功率器件，甚至是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)器件等；此外，集成模拟功能及封装技术也将因应新型功率器件而不断演进，从而支持更高的工作频率，减小寄生参数，优化散热性能。
新兴市场应用条件逐步成熟
长期以来，电器和工业领域都是IPM的主力需求市场。特别是家电行业，由于在洗衣机和空调系统中采用了大量的高级电子控制解决方案，使得MHA(主要家用电器)部分成为了IPM的重点市场之一。同时，值得关注的是，随着近年来工业自动化、汽车电子等新兴市场的应用条件逐步成熟，IPM在这些专业领域中的使用比例也在日渐增长。
威柏电子有限公司汽车电子/工业及新能源事业部总监杨同礼 |
对此，威柏电子有限公司汽车电子/工业及新能源事业部总监杨同礼分析道，在伺服器行业中，IPM正面临普通IGBT模块的竞争，产品价格走低，但会保持一定的距离；在变频空调应用中，因为进入厂商较多，加之面对消费类市场的要求，因而也存在较大的价格竞争压力；在新能源汽车领域，则面临更高的功率要求；在自动化行业中，IPM被运用在机器人手臂控制系统中，代替人工操作，来应对人力成本升高的压力。“市场需求的扩大，带来了对宽范围IPM的强烈需求，IPM的开发需要在芯片本身和驱动IC方面具备极高的制造工艺水平和技术积累，所以只有少数几家厂商有能力供应。威柏目前主要供应FUJI V-IPM及空调专用IPM，产品已应用在国内主流的家用/商用空调、机床伺服及机器人、电动汽车等领域。”
国际整流器公司产品营销和战略推广开发部副总裁Alberto Guerra |
市场的快速变化迫切要求IPM面向实际应用，在更广泛的功率级中增加灵活性，能完全满足成品的各种功率级。国际整流器公司(International Rectifier，IR)产品营销和战略推广开发部副总裁Alberto Guerra表示：“此前，IPM一般只限制在400W电机以上的电源应用中，但是现在的市场需求可能扩展到低至50W，且最高升至数万瓦(适用于工业应用)。总之，IPM厂商正经历着灵活设计、可生产性和可升级性方面的探索。其中，可升级性指的是可共享相同的模块设计及相同的波形因数(完全相同的引脚输出配置和功能性)。”
安森美半导体智能功率模块(IPM)业务部主管Chris Chey |
另一方面，与其它替代的分立元件解决方案相比，简单易用、缩减SKU和减少空间等应用优势也成了带动IPM市场快速发展的另一大内部因素。
“例如在空间受限的电源应用中设计电源系统时，”安森美半导体智能功率模块(IPM)业务部主管Chris Chey介绍道，“由于涵盖多个复杂功率电路，如三相拓扑结构，因此要求具有更精心的功率电路设计及散热设计。采用智能功率模块不仅可以在这类应用中节省空间及降低系统成本，还能为客户减轻某些关键功率电路及散热的设计工作。” 据了解，安森美半导体的IPM产品全部在越南的全新封装厂完成生产制造，目前中国已成为其全球最大的市场并预计在未来几年内将保持稳定增长。
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低端市场价格压力增大
在典型的白色家电应用中，涉及到广泛的终端产品及功率范围，造成对IPM产品的需求呈现出两极化的分化趋势。具体来说，则是低端产品需要简化及更低成本的封装结构，而高端产品则要求能同时集成更多功能及耗散更多功率的功率封装形式。尤其是低端市场的产品价格压力增大，是当前大部分IPM厂商所面对的主要挑战之一，也使得这些厂商纷纷寻找能够实现成本控制的最佳解决途径。
谈到IPM产品成本的下降阻力，杨同礼认为，由于IPM需要使用专门的驱动IC及特制的芯片，因而使得其成本难以降低；并且更高的效率要求还需要在驱动IC和功率器件芯片的设计上取得同步进展，以提高集成度。为了满足上述应用需求，就有必要采用新一代功率器件技术或新材料(如SiC)，令IPM在集成度和成本上得以改善。
从IPM的长远发展来看，Guerra指出：“IPM的未来与封装技术的趋势、以及半导体技术的进步密不可分。在封装方面，我们预见到了一个不变的趋势，即更高的功率密度并缩减尺寸，进而实现更高水平的集成(数字控制和额外的保护特性)。其次，在先进的技术工艺上，如用于半导体芯片贴附的真空回流焊，是当前IPM开发中迅速采用的一项重要创新。同时我们预计，仅基于引线框架构，如QFN的移植，将使得这类IPM产品可以为元件级供应商以及电路板组装成本级客户带来更高的成本缩减方案。”另外，他补充道，在电机驱动应用中，更高效的硅基功率开关将迅速转向GaN基MOSFET，功耗将会显著降低，效率的提升将使无散热解决方案的实现成为可能，这也将进一步有利于成本控制。
目前，在产品开发的过程中，IR一方面专注于新的功率器件和封装技术发展路线图的优化，不断提升散热性能、功率的可升级性和生产自动化能力，以实现更具有竞争力的产品成本；另一方面则集中精力提高基准的、高压栅极驱动器集成电路的坚固耐用性和产品性能，并且通过实现功率半导体平台、IGBT和高压MOSFET的最小功耗，来持续提高产品的功率级。今年，IR推出了第二代(Gen2)IRAM系统级封装(SIP)系列IPM产品，借助先进的沟槽绝缘栅双极晶体管(IGBT)和下一代三相栅极驱动IC，该模块具有业界领先的热机械技术，且通过提供更高的功率密度和增强的系统坚固耐用与可靠性，大幅提高了散热性能和系统效率。另外，IR新型μIPM-DIP系列高集成解决方案适用于低功耗电机驱动应用，包括风扇、泵、空气净化器和冰箱压缩机驱动，利用工业标准引脚占位和与多种PCB基底相兼容的工艺，可实现紧凑的12×29mm SOP/DIP封装，并作为高性价比功率解决方案加以推出。
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本文下一页：更为丰富的智能化功能
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更为丰富的智能化功能
根据业界标准，在一个功率封装内增加一颗预驱动器IC就符合IPM产品的定义。然而，随着技术的不断更新，这一定义已仅仅适用于低端市场；而在越来越多的高端及典型应用中，IPM还需要集成更多的模拟及混合信号功能，从变频器换向、保护及诊断、输入接口，到其它外围功能等等，不一而足，也大大提高了IPM的智能化水平。
从带有模拟HVIC前端的正规IPM，以及完整的数字控制前沿的先进IPM这两个角度，Guerra更为详细地比较道，前者是目前数量最大的产品线，IR的IPM具有HV栅极驱动器IC的全系列频谱功能，这种IC技术在耐用性和可靠性方面在行业内设立了基准，且在过去十年中的众多节能应用变速电机控制系统中得到了大规模应用，包括完全的防直通逻辑、延迟匹配、死区时间控制、过流保护、过温保护和欠压保护等都是IPM前端部分的标准功能，而开路源极/开路发射极输出引脚也是由IR首创且现今仍是IR的标准输出功率级配置。所有的这些智能特性可以实现高级能效变速电机控制的坚固、快速和无障碍设计。另外，在带有数字前端的IPM中，所展现出的智能功能更是无限，例如IR开发的iMotion系列包括先进紧凑的IPM产品，具有完全的数字控制性能，这些产品运用12×12 QFN封装，从本质上是一个采用封装的完整电机驱动系统。
以FUJI最新推出的V系列芯片(V-IPM)为例，其智能化功能表现为：FUJI自主设计的驱动IC内置驱动电路；多种内置保护电路(OC过流保护、SC短路保护、UV电源欠压保护、结温过热保护，及这些保护对应的故障信号输出)；以及部分规格内置制动电路等。其中，通过对芯片的创新设计，V-IPM具有更低的损耗、更高的功率范围及过载特性，报警输出信号的优化可用于识别系统消失的根源，更紧凑的封装设计有利于缩减电力电子系统的体积。
“在IPM产品中，智能化主要体现在IGBT的驱动/保护上，这是由模块内置的控制IC来实现的，”三菱电机机电(上海)有限公司高级经理何洪涛说，“目前的产品中保护功能主要包括短路保护(或过流保护)、控制电源欠压保护、过温保护等，在三菱电机新一代的DIPIPM系列中还有温度输出功能以及自举电路功能。”他表示，具有了这些功能之后，一方面可以让客户从相关的繁琐电路设计中解脱出来，使用起来方便，以缩短产品开发周期；另一方面也使得模块自身的运行更加安全可靠，为客户带来了更高的附加价值。
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本文下一页：跟上快速的产品开发周期
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跟上快速的产品开发周期
为了保持企业的竞争力及配合客户不断演变的使用需求，终端设备的产品更新周期正在持续缩短，为此，越来越多的客户期望IPM产品的开发时间及代际进步速度也可以与功率器件的发展同步。“毕竟客户通常将IPM视作功率段产品，但从产品定义来看，IPM产品包含一颗或多颗模拟IC，这些模拟IC的开发周期一般要比功率器件长，因此，要求模拟IC产品的开发进展与功率器件及封装同步，常常是最大的挑战所在。”Chey说道。
要解决这一难题，企业在早期的产品规划路线图以及与IC产品开发团队的密切协作上就显得至关重要。Chey进一步介绍道，凭借功率器件及电源管理集成电路(PMIC)的宽广产品阵容，安森美半导体在开发过程中，会首先推出标准品，以展示能够提供的产品特性，再由此快速衍生出定制化的产品，以帮助客户实现更短的产品开发周期。例如在某些应用中，客户要求采用系统级封装(SiP)，安森美就会根据客户需求，在IPM中集成控制器及其它外围功能。
例如，在竞争日渐激烈的家电市场，更轻、更高效的电机应用有助于达到节能目标，为了协助设计人员加快针对小于100 W小功率电机的开发，Fairchild新推出的Motion SPM7智能功率模块在装配空间有限的机构内提供了紧凑而可靠的小功率电机驱动方案。其内部设有六个快速恢复MOSFET(FRFET)和一个三相HVIC，FRFET功率模块具有较佳的耐用性和更大的安全工作区(SOA)；HVIC的温度感测功能强化了系统可靠性，同时提供与HVIC温度成比例的模拟电压，用于监控模块温度和针对过温情况实施必要的保护，该系列还采用高性能PQFN封装，可节省一半的电路板空间。
何洪涛也表示，为了跟上迅速变化的市场节奏，三菱电机会根据市场需求及时调整产能，满足新老客户不断扩大的应用需求，就DIPIPM来说，根据这几年中国变频家电尤其是变频空调的发展，三菱已将相关模块的产能提高至年产数千万片的水平，以满足未来数年的发展需要。同时，在技术支持方面，三菱电机在国内建立了数量庞大和应用技术能力较强的电力半导体模块技术支持团队；此外，三菱电机功率器件日本制作所的技术人员也会为国内客户提供深入的技术支持，两者密切配合，力争为国内客户提供快速、优质的技术服务。
在产品的未来研发上，三菱电机封装形式更小的下一代DIPIPM正在开发之中，预计将不留现有DIPIPM产品的内置功能外，其体积更小、功耗更低，成本也有望进一步降低，以适应变频家电对功率模块的小型化、高可靠性、低成本要求。而对于传统IPM产品，下一代的G系列IPM产品也处于开发中，包括G1系列和G2系列，采用三菱第7代IGBT硅片技术，功耗将进一步降低；采用全新的封装形式，热阻会进一步降低；在模块内置功能上，G1系列采用与现有IPM基本相同的形式，但增加故障报警辨识信号，而G2系列除了上述功能外，还将增加温度输出功能、开关速度模式选择以及自举电路功能(外部控制电源由原来的4路减少到2路)等。
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