IPM(智�功率模塊)是一種先進的功率開關器件,兼有GTR(大功率晶體管)高電�、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)�,以�MOSFET(場效應晶體管)高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)�。而且IPM�(nèi)部集成了邏輯、控�、檢測和保護電路,使用起來方�,不僅減少了系統(tǒng)的體積,縮短了開�(fā)時間,也增強了系�(tǒng)的可靠�,適應了當今功率器件的發(fā)展方向,IPM在功率電子領域得到了越來越廣泛的應用�
保護電路可以實現(xiàn)控制電壓欠壓保護、過熱保�、過流保護和短路保護。如果IPM模塊中有一種保護電路動�,IGBT柵極驅動單元就會關斷門極電流并輸出一個故障信號(FO)。各種保護功能具體如下:
?。ǎ保┛刂齐妷呵穳罕Wo(UV):IPM使用單一的+15V供電,若供電電壓低于12.5V,且時間超過toff=10ms,發(fā)生欠壓保護,封鎖門極驅動電�,輸出故障信��
?。ǎ玻┻^溫保護(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時,發(fā)生過溫保�,封鎖門極驅動電�,輸出故障信號�
?。ǎ常┻^流保�(OC):若流過IGBT的電流值超過過流動作電流,且時間超過toff,則發(fā)生過流保�,封鎖門極驅動電�,輸出故障信號。為避免�(fā)生過大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級關斷模�,過流保護和短路保護�。其�,VG為�(nèi)部門極驅動電�,ISC為短路電流值,IOC為過流電流�,IC為集電極電�,IFO為故障輸出電��
1 引言
智能功率模塊(Intelligent Power Module,IPM)以開關速度快、損耗小、功耗低、有多種保護功能、抗干擾能力�、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點在電力電子領域得到越來越廣泛的應用。以PM200DSA060型IPM為例。介紹IPM應用電路設計和在單相逆變器中的應��
2 IPM的結�
IPM由高速、低功率IGWT、優(yōu)選的門級驅動器及保護電路構�。其�,IGBT是GTR和MOSFET的復合,由MOSFET驅動GTR,因而IPM具有GTR高電流密�、低飽和電壓、高耐壓、MOSFET高輸入阻�、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點�
根據(jù)�(nèi)部功率電路配置情�,IPM有多種類�,如PM200DSA060型:IPM為D�(�(nèi)部集�2個IGBT).其�(nèi)部功能框圖如�1所�,內(nèi)部結構如�2所�。內(nèi)有驅動和保護電路,保護功能有控制電源欠壓鎖定保護、過熱保護、過流保護和短路保護,當其中任一種保護功能動作時。IPM將輸出故障信號FO�
IPM�(nèi)部電路不含防止干擾的信號隔離電路、自保護功能和浪涌吸收電路。為了保證IPM安全可靠。需要自己設計部分外圍電路�
3 IPM的外部驅動電路設�
IPM的外部驅動電路是IPM�(nèi)部電路和控制電路之間的接�,良好的外部驅動電路對以IPM構成的系�(tǒng)的運行效率、可靠性和安全性都有重要意��
由IPM�(nèi)部結構圖可見.器件本身含有驅動電路.所以只要提供滿足驅動功率要求的PWM信號、驅動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是.IPM對驅動電路輸出電壓的要求很嚴格:驅動電壓范圍�13�5V~16�5V.電壓低�13�5V將發(fā)生欠壓保護.電壓高于16�5V可能損壞�(nèi)部部�;驅動信號頻率為5Hz-20kHz,且需采用電氣隔離裝置。防止干擾:驅動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2�(2Vces);驅動電流達19mA一26mA;驅動電路輸出端的濾波電容不能太大.這是因為當寄生電容超�100pF時。噪聲干擾將可能誤觸�(fā)�(nèi)部驅動電��
�3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅動電路方案。來自控制電路的PWM信號�(jīng)R1限流.再�(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM�(nèi)部驅動電路并控制開關管工�,F(xiàn)O信號也經(jīng)過光耦隔離輸�。其中每個開關管的控制電源端采用獨立隔離的穩(wěn)��15V電源,且�1�10μF的退耦電容器 (圖中未畫�)以濾去共模噪�。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選?。缬肈SP�(chǎn)生PWM.則R1的阻值可�330Ω。R2根據(jù)IPM驅動電流選�,一方面應盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲.另一方面又要足夠可靠地控制IPM??稍?kΩ~6�8kΩ�(nèi)選取。C1�2端與地間的O�1μF濾波電容器,PWM隔離光耦的要求是tPLH10kV/μs,可選用HCPIA503型� HCPIA504�、PS204l�(NEC)等高速光�,且在光耦輸入端�1只O�1μ的退耦電容器(圖中未畫�)。FO輸出光耦可用低速光�(� PC817)。IPM的內(nèi)部引腳功能如�1所��
�3的外部接口電路直接固定在PCB上且靠近模塊輸入腳.以減少噪聲和干擾.PCB上布線的距離應適�,避免開關時干擾引起的電位變��
另外,考慮到強電可能造成外部驅動電路到IPM引線的干�,可以在引腳1~4間,3~4��4~5間根�(jù)干擾大小加濾波電容器�
4 IPM的保護電路設�
由于IPM本身提供的保護電路不具備自保護功能.所以要通過外圍硬件或軟件的輔助電路將內(nèi)部提供的:FO信號轉換為封鎖IPM的控制信號.關斷IPM,實�(xiàn)保護�
4�1 硬件
IPM有故障時,F(xiàn)O輸出低電平,通過高速光耦到達硬件電�,關斷PWM輸出,從而達到保護IPM的目的。具體硬件連接方式如下:在PWM接口電路前置帶控制端�3�(tài)收發(fā)�(�74HC245)。PWM信號�(jīng)�3�(tài)收發(fā)器后送至IPM接口電路.IPM的故障輸出信號FO�(jīng)光耦隔離輸出送入與非門。再送到3�(tài)收發(fā)器使能端OE。IPM正常工作時.與非門輸出為低電平�3�(tài)收發(fā)器選�;IPM有故障時。與非門輸出為高電平�3�(tài)收發(fā)器所有輸出置為高阻態(tài)。封鎖各個IPM的控制信號.關斷IPM.實�(xiàn)保護�
4�2 軟件
IPM有故障時.FO輸出低電平,F(xiàn)O信號通過高速光耦送到控制器進行處理。處理器確認后。利用中斷或軟件關斷IPM的PWM控制信號.從而達到保護目�。如在基于DSP控制的系�(tǒng)中.利用事件管理器中功率驅動保護引腳(PDPINT)中斷實現(xiàn)對IPM的保護。通常1個事件管理器嚴生的多路PWM可控制多個IPM工作.其中每個開關管均可輸出FO信號,每個開關管的FO信號通過與門.當任一開關管有故障時輸出低電平,與門輸出低電平.將該引腳連至PDPINT,由于PDPINT為低電平時DSP中斷,所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻�(tài),從而達到保護目��
以上2種方案均利用IPM故障輸出信號封鎖IPM的控制信號通道.因而彌補了IPM自身保護的不足,有效地保護了器件�
5 IPM的緩沖電路設�
在IPM應用�,由于高頻開關過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的di/dt、dv/dt和瞬時功耗會對器件產(chǎn)生較大的沖擊,易損壞器件.因此需設置緩沖電路(即吸收電�),目的是改變器件的開關軌跡,控制各種瞬態(tài)過壓,降低器件開關損耗.保護器件安全運行�
�4為常用的3種IPM緩沖電路。圖4(a)為單只無感電容器構成的緩沖電�,對瞬變電壓有效且成本低,適用于小功率IPM。圖4(b)為RCD構成的緩沖電�,適用于較大功率IPM.緩沖二極管D可箝住瞬變電壓,從而抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其RC時間常數(shù)應設計為開關周期�1�3,即r=T�3=1�3f。圖4(c)為P型RCD和N型RCD構成的緩沖電�,適用于大功率IPM。功能類似于�4(b)所示的緩沖電路,其回路電感更小。若同時配合使用�4(a)所示的緩沖電路。還能減小緩沖二極管的應�,緩沖效果更��
在圖4(c)�,當IGBT關斷時.負載電流�(jīng)緩沖二極管向緩沖電容器充�,同時集電極電流逐漸減少,由于電容器二端的電壓不能突變.所以有效地限制了IGBT集電極電壓上升率dv/dt。也避免了集電極電壓和集電極電流同時達到�。IGBT集電極母線電感、電路及其元件內(nèi)部的雜散電感在IGBT開通時儲存的能�,這時儲存在緩沖電容器�。當IGBT開通時,集電極母線電感以及其他雜散電感又有效地限制了IGBT集電極電流上升率 di/dt.同樣也避免了集電極電壓和集電極電流同時達到�。此�,緩沖電容器通過外接電阻器和IGBT開關放電,其儲存的開關能量也隨之在外接電阻器和電�、元件內(nèi)部的電阻器上耗散。如�,便將IGBT運行時產(chǎn)生的開關損耗轉移到緩沖電路.在相關電阻器上以熱的形式耗散,從而保護IGBT安全運行�
�4(c)中的電阻值和電容值按�(jīng)驗數(shù)�(jù)選取:如PM200DSA060的電容值為0�221xF~0�47xF,耐壓值是IGBT� 1�1倍~1�5�,電阻值為10?�20?,電阻功率按P=fCU2xlO-6計算,其中f為IGBT工作頻率,u為IGBT的工作峰值電�。C為緩沖電路與電阻器串�(lián)電容。二極管選用快恢復二極管。為了保證緩沖電路的可靠性,可以根據(jù)功率大小選擇封裝好的�4所示的緩沖電路�
另外,由于母線電�、緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感對IPM尤其是大功率IPM有極大的影響,因此愈小愈�。要減小這些電感需從多方面人手:直流母線要盡量地短;緩沖電路要盡可能地靠近模塊;選用低電感的聚丙烯無極電容�、與IPM相匹配的快速緩沖二極管及無感泄放電阻器�
6 IPM在單相全橋逆變器中的應�
�5所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電�,其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷鞯浇涣鞯淖儞Q.濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流�;控制電路完成對逆變橋中開關管的控制并實�(xiàn)部分保護功能�
圖中的逆變?nèi)珮蛴?個開關管�4個續(xù)流二極管組成,工作時開關管在高頻條件下通斷.開關瞬間開關管電壓和電流變大,損耗大,結溫升高,加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等.極易導致開關管瞬間損�,以往常用分立元件設計開關管的保護電路和驅動電�,導致電路龐大且不可��
筆者采用一對PM200DSA060雙單元IPM模塊分別代替圖中Vl、D1、V2、D2組合和V3、D3、v4、D4組合構成全橋逆變電路,利用DSP對IPM的控�,完成了中頻�20kW�230V逆變器的設計和調�,采用了如上所述的驅動電路、圖4(c)中的緩沖電路和基于DSP控制的軟件IPM保護電路。設計實踐表明:使用IPM可簡化系�(tǒng)硬件電路、縮短系�(tǒng)開發(fā)時間、提高可靠�、縮小體積,提高保護能力�
IPM智能功率模塊是先進的混合集成功率器件,由高�、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅動以及保護電路構�。由于采用了能連續(xù)�(jiān)測功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片,從而可實現(xiàn)高效的過流保護和短路保護。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護電路,因而系�(tǒng)的可靠性得到了進一步提高�
使用智能功率模塊可以使生�(chǎn)廠家降低在設�、開�(fā)和制造上的成�。與普通的IGBT相比,在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步的提高。由于IPM集成了驅動和保護電路,使得用戶的�(chǎn)品設計變得相對容易,并能縮短開發(fā)周期;由于IPM通態(tài)損耗和開關損耗都比較�,使得散熱器減小,因而系�(tǒng)尺寸也減�;所有的IPM均采用同樣的標準化與邏輯電平控制電路相聯(lián)的柵極控制接�,在�(chǎn)品系列擴充時無需另行設計電路。IPM在故障情況下的自保護能力,也減少了器件在開發(fā)和使用中過載情況下的損壞機會�
IPM�(nèi)置的柵極驅動電路和保護電路可以對許多違反IGBT模塊安全工作區(qū)(SOA)的運行模式加以保護,智能功率模塊的開關安全工作區(qū)和短路安全工作區(qū)定義概述如下�
開關安全工作區(qū)
開關(關斷)安全工作區(qū)通常定義為在重復關斷運行時的允許瞬時電壓和電�。對于IPM,內(nèi)置柵極驅動取消了因不正確的柵極驅動而造成的許多電壓和電流的危險組合,此外,工作電流受過流保護電路的限制。根�(jù)這些限制條件,開關安全工作區(qū)可用�1中的波形來定義,只要主電路直流母線電壓低于數(shù)�(jù)手冊中的Vcc(port)指標,每個IPM功率單元的C-E間關斷瞬時電壓低于VCES指標,Tj小于125℃,控制電源|�(wěn)壓器電壓�13.5V�16.5V之間,IPM將會安全工作。波形中的IOC是IPM的過流故障不會動作的允許電流。換句話�,它正好處在OC動作�(shù)值以�。該波形定義了硬關斷操作的最壞情�,當電流高于OC動作�(shù)值時,IPM將關斷該電流�
IPM智能功率模塊的自保護功能
自保護特�
IPM有精良的�(nèi)置保護電路以避免因系�(tǒng)失靈或過應力而使功率器件損壞的情�。內(nèi)置保護功能的框圖如圖3所�。如果IPM模塊其中有保護電路動�,IGBT柵極驅動單元就會關斷電流并輸出一個故障信號(FO��
控制電源欠壓鎖定
�(nèi)部控制電路由一�15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于�(guī)定的欠壓動作�(shù)值(UV),則該功率器件將被關斷并輸出一個故障信�。如果小毛刺干擾時間小于�(guī)定的tdUV,則不影響控制電路工作,欠壓保護電路也將不工��
保護�,要恢復正常工作,電源電壓必須超過欠壓復位數(shù)值(UVr�。欠壓保護電路在控制電源上電和掉電期間都要保持工��
過熱保護
在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝溫度傳感器。如果基板溫度超出過熱動作數(shù)值(OT�,IPM�(nèi)部控制電路將截止柵極驅動,不影響控制輸入信號,直到溫度恢復正�,從而保護了功率器件。當溫度回落至過熱復位數(shù)值(OTr)以下,并且控制輸入為高電平(關斷狀�(tài)�,功率器件將接收下一個低電平(開通狀�(tài))輸入信號并恢復正常工作�
過流保護
如果流過IGBT的電流超出過流動作數(shù)值(OC)的時間大于toff(OC),IGBT將被關斷�
超過OC�(shù)值但時間小于toff(OC)的電流短脈沖并不危險,過流保護電路將不予處理。當檢測出過電流�,IGBT將被軟關�,同時輸出一個故障信�。受控的軟關斷能控制關斷大電流而發(fā)生的浪涌電壓�
短路保護
如果負載�(fā)生短路而導致上下臂同時導�,IPM�(nèi)置短路保護電路將關斷IGBT。如果流�(jīng)IGBT的電流超出短路保護動作數(shù)值(SC�,軟關斷立即啟動并輸出一個故障信�。為縮短SC檢測與SC關斷之間的響應時�,IPM采用了實時電流控制電路(RTC)。SC動作�,實時電流控制電路直接監(jiān)測IGBT驅動的末級電路,因此響應時間可以減小到不�100ns�
IPM智能功率模塊的驅動電路設�
驅動電路的要�
一個低電平輸入信號將使IGBT開�。典型地,IPM的輸入腳被用一個連接到控制電源正側的電阻拉高,把控制輸入拉低則產(chǎn)生一個“開通”的信號�
故障輸出信號FO表現(xiàn)為集電極開路,如果發(fā)生故�,開路集電極器件即行接�,故障輸出腳從控制電源正端吸收電��
接口電路設計中布線很重要。為避免dv/dt噪聲耦合到控制電路,在布線中一定要仔細考慮:在上臂接口電路之間、上臂和下臂接口電路之間的寄生電感都會產(chǎn)生噪聲的問題�
驅動電路的原�
用于空調機變頻控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模塊——PM20CTM060驅動電路的原理圖。開關控制信號和故障信號是通過隔離接口電路同系�(tǒng)控制器連接�。TLP559的特點是開關速度�,每秒達1M�。TLP521則具有電流傳輸比(CTR)大的特�,CTR值達200,圖中的R508是一個上拉電�,它是確保在IPM智能功率模塊沒有故障時VFO的輸出為高電��
驅動電路印刷電路板的設計
IPM模塊的靜電防�
帶靜電的人體或其它過大的電壓施加到柵-源(或發(fā)射極)上可能毀壞芯�??轨o電的基本措施就是盡量阻止靜電的產(chǎn)生并盡快將電荷釋放掉�
在焊接IPM智能模塊�,應保證烙鐵頭良好接�,烙鐵溫度應控制�330℃~350℃溫度范圍內(nèi),焊接時間小�10s;在電控箱體的裝配過程中,應將測試設備和人體良好接地,推薦在工作臺和周圍的地板上鋪放導電毯,并將之接��
� �
隨著變頻技術的日趨成熟,IPM在變頻家電中的應用也越來越廣泛,這也必將推動IPM技術的�(fā)�,早日開�(fā)出性價比更高的智能功率模塊�
隨著�(xiàn)代電力電子技術的飛速發(fā)�,以絕緣柵雙晶體管(IGBT)為代表的功率器件在越來越多的場合得到廣泛地應用。IGBT是VDMOS與雙極晶體管的組合器�,集MOSFET與GTR的優(yōu)點于一�,既具有輸入阻抗�,開關速度�,熱�(wěn)定性好和驅動電路簡單的長處,又具有通態(tài)電壓�,耐壓高和承受大電流的�(yōu)�,特別適合于電機控制。現(xiàn)代逐漸得到普遍推廣的變頻空�,其�(nèi)部的壓縮機控制單元就是采用以IGBT為主要功率器件的新型智能模塊(IPM)�
IPM(智能功率模塊)即Intelligent Power Module的縮�,它是將輸出功率器件IGBT和驅動電�、多種保護電路集成在同一模塊�(nèi),與普通IGBT相比,在系統(tǒng)性能和可靠性上均有進一步提高,而且由于IPM通態(tài)損耗和開關損耗都比較�,使散熱器的尺寸減小,故整個系�(tǒng)的尺寸減�。下面是IPM�(nèi)部的電路框圖�
IPM�(nèi)部含有門極驅動控�、故障檢測和多種保護電路。保護電路分別檢測過�、短路、過�、電源欠壓等故障,當任一故障出現(xiàn)�,內(nèi)部電路會封鎖驅動信號并向外送出故障信號,以便外部的控制器及時處理現(xiàn)�,避免器件受到進一步損壞。下圖是變頻空調室外壓縮機控制驅動主電路的原理圖�
220V交流電壓�(jīng)過由D1~D4和電解電容C1組成的橋式整流和阻容濾波電路后成為給IPM供電的直流電�,六個開關管按照一定規(guī)律通斷,分別在U、V、W三相輸出一系列的矩形信�,通過調整矩形波的頻率與占空比達到調節(jié)輸出電壓頻率和幅度的目的,即�(xiàn)在應用最廣泛的PWM(PULSE WIDTH MODULATE 脈沖寬度調制)控制技術,PWM控制技術從控制思想上可以分成四類:等脈寬PWM�、正弦波PWM�、磁鏈追蹤PWM法和電流追蹤型PWM�。不管采用何種控制方�,都必須注意U、V、W任意一相上下兩個橋臂不能同時導�,否則直流電源將在IPM�(nèi)部形成短�,這是不允許的。為了避免電源元件的切換反應不及時可能造成的短�,一定要在控制信號之間設定互鎖時�,這個時間又叫換流時間,或者叫死區(qū)時間�
死區(qū)時間,一般情況下軟件工程師在程序設計時就會考慮并寫進控制軟�。但是由于不同公司生�(chǎn)的IPM,對死區(qū)時間長短的要求不盡相�,這樣軟件就會出現(xiàn)多個版本,不便于管�,并且影響CPU的MASK(掩模)工作。為了控制軟件的�(tǒng)一性,有的軟件工程師將死區(qū)時間放到芯片外擴展的E2�,對不同公司的IPM,只需改變一下E2中的�(shù)�(jù),即可簡單實�(xiàn)死區(qū)時間的匹配。這種方法的缺點是生產(chǎn)成本較高,在實際應用時受到一定限�。隨著集成電路工藝的不斷改�,各種邏輯門集成電路的價格不斷地下降,使采用硬件電路實現(xiàn)死區(qū)時間設定應用到生�(chǎn)上成為可能,這種方法的優(yōu)點是電路簡單,延時時間方便可調,成本低廉�
控制過程如下�
因為IPM控制輸入低電平有�。平時CPU輸出控制�1處于高電平,邏輯或門輸出高電�,IPM輸入鎖定。當CPU輸出低電平有效時,高頻瓷片電容通過電阻放電,邏輯或門輸入�2仍然維持高電�,邏輯或門輸出高電平,IPM輸入仍然鎖定。當電容放電完畢,或門輸入�2�?yōu)榈碗娖綍r邏輯輸出才為低電�,IPM控制輸入有效,因�,電容放電時間就是CPU控制輸出到IPM控制輸入有效的延時時�。當CPU控制輸出關斷即輸出重新變?yōu)楦唠娖綍r,盡管電容處于充電狀�(tài)而使或門輸入�2處于低電�,邏輯或門輸出仍然立即�?yōu)楦唠�?,鎖定IPM輸入。上述電路只是六路IPM控制輸入的其中一路,其他五路做同樣處�,通過調整R、C的參�(shù),就可以實現(xiàn)所需要的延時時間。下面是一相電路控制時序圖�
下面我們推導圖3所示電路中電阻和電容的選擇�
根據(jù)電工學公式,由電�、電容組成的一階線性串�(lián)電路,電容電壓Uc可以用下式表示:
Uc=Uoexp�-t/τ� �1�
τ為時間常�(shù) τ=RC
在圖3所示電路中,我們選擇ST公司生產(chǎn)的高速CMOS或門電路,它的關門電平�1.35V(電源電壓為4.5V�,即當輸入電壓降�1.35/4.5U0=0.3 U0時,輸出電平轉換有效,因此由式(1)可以推導出�
td =-τln0.3=1.2RC �2�
上式就是我們選擇R、C值的指導公式�
例如:需要延時時間為10us,選擇精度為5[%]高頻瓷片電容,容量為103P,則
R= 10 *10e-6/1.2C=833Ω,這樣R就可選擇精度�1[%]、阻值為820Ω的金屬膜電阻�
小結:按照上述方案設計的硬件延時電路,結構簡�,成本低�,可靠性極�,在實際使用時只需簡單調換一下電阻的阻值就可實�(xiàn)對死區(qū)時間要求不同的IPM的控制�
維庫電子�,電子知�,一查百��
已收錄詞�160695�