摘 要: 介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅(qū)動和保護電路" title="保護電路">保護電路的設(shè)計方法，并給出了一個驅(qū)動和保護電路的設(shè)計實例。
????關(guān)鍵詞: IGBT(絕緣柵雙極性晶體管)? IPM(智能功率模塊)? PIC(功率集成電路)
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智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫，是一種先進的功率開關(guān)器件，具有GTR?穴大功率晶體管?雪高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點，以及MOSFET(場效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點。而且IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也大大增強了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路(PIC)，在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文以三菱公司PM100DSA120為例，介紹IPM的基本特性，然后著重介紹IPM的驅(qū)動和保護電路的設(shè)計。
1 IPM的基本工作特性
1.1 IPM的結(jié)構(gòu)
IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成，如圖1所示。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動GTR，因而IGBT具有兩者的優(yōu)點。
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IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內(nèi)部封裝一個IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。
1.2 IPM內(nèi)部功能機制
IPM的功能框圖如圖2所示。IPM內(nèi)置驅(qū)動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計。
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IPM內(nèi)置的驅(qū)動和保護電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模塊相比，IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進一步的提高。
保護電路可以實現(xiàn)控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果IPM模塊中有一種保護電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)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:
(1)控制電壓欠壓保護(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(qū)動電路" title="驅(qū)動電路">驅(qū)動電路，輸出故障信號。
(2)過溫保護(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當(dāng)IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發(fā)生過溫保護，封鎖門極驅(qū)動" title="門極驅(qū)動">門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。
(3)過流保護(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)生過流保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。為避免發(fā)生過大的
，大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式，過流保護和短路保護操作可參見圖3。其中，VG為內(nèi)部門極驅(qū)動電壓，ISC為短路電流值，IOC為過流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。
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(4)短路保護(SC):若負載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過IGBT的電流值超過短路動作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發(fā)生過大的
，大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的響應(yīng)時間，IPM內(nèi)部使用實時電流控制電路(RTC)；使響應(yīng)時間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果[1]。
當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時，其故障輸出信號持續(xù)時間tFO為1.8ms(SC持續(xù)時間會長一些)，此時間內(nèi)IPM會封鎖門極驅(qū)動，關(guān)斷IPM；故障輸出信號持續(xù)時間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動復(fù)位，門極驅(qū)動通道開放。
可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果tFO結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，IPM就會重復(fù)自動保護的過程，反復(fù)動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。
2 IPM驅(qū)動電路的設(shè)計
驅(qū)動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動電路設(shè)計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
2.1 IGBT的分立驅(qū)動電路的設(shè)計
IGBT的驅(qū)動設(shè)計問題亦即MOSFET的驅(qū)動設(shè)計問題；設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點:①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin，從而影響開關(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅(qū)動電流，使用時應(yīng)根據(jù)需要取舍。圖4為IGBT柵極保護原理圖，其中，RG、DZ、Cin分別為等效柵極阻抗、穩(wěn)壓管和等效輸入電容。②盡管IGBT所需驅(qū)動功率很小，但由于MOSFET存在輸入電容Cin，開關(guān)過程中需要對電容充放電，因此驅(qū)動電路的輸出電流應(yīng)足夠大，這一點設(shè)計者往往忽略。假定開通驅(qū)動時，在上升時間tr內(nèi)線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅(qū)動電流為
，其中可取tr=2.2RCin，R為輸入回路電阻。③為可靠關(guān)閉IGBT； 防止擎住現(xiàn)象； 要給柵極加一負偏壓，因此最好采用雙電源供電。
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2.2 IGBT集成式驅(qū)動電路
IGBT的分立式驅(qū)動電路中分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護功能比較完善的分立電路就更加復(fù)雜，可靠性和性能都比較差，因此實際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動電路。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛。
2.3 IPM驅(qū)動電路設(shè)計
現(xiàn)以PM100DSA120為例進行介紹。PM100DSA120是一種D型的IPM，內(nèi)部封裝了兩個IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的開關(guān)頻率最大為20kHz。由于IPM內(nèi)置了驅(qū)動電路，與IGBT驅(qū)動電路設(shè)計相比，外圍驅(qū)動電路的設(shè)計比較方便，只要能提供15V直流電壓即可。
但是IPM對驅(qū)動電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格；具體為:①驅(qū)動電壓范圍為15V±10%；電壓低于13.5V將發(fā)生欠壓保護，電壓高于16.5V將可能損壞內(nèi)部部件。②驅(qū)動電壓相互隔離，以避免地線噪聲干擾。③驅(qū)動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的兩倍(2Vces)。④驅(qū)動電流可以參閱器件給出的20kHz驅(qū)動電流要求，根據(jù)實際的開關(guān)頻率加以修正。⑤驅(qū)動電路輸出端濾波電容不能太大，這是因為當(dāng)寄生電容超過100pF時，噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動電路。
這里介紹一種可獲得高質(zhì)量15V電源的方案。該方案驅(qū)動電路不僅結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，而且抗干擾能力強，典型電路如圖5所示。
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圖中各器件的類型和參數(shù)已經(jīng)標(biāo)出，其中，M57140-01和M57120L是三菱公司為其IPM系列產(chǎn)品專門配置的電壓變換模塊。在M57120L的輸入端加一路113V～400V的直流電壓可以在輸出端得到一路20V的直流電壓，在M57140-01的輸入端加一路18V～22V的直流電壓，輸出端可以得到4路相互隔離的15V電壓，方便地為IPM供電；HCPL4504和PC817是高速光耦" title="光耦">光耦，起到電氣隔離IPM與外部電路的作用，IPM的控制信號" title="控制信號">控制信號Cin和故障輸出信號FO通過光耦傳輸。
在應(yīng)用要求不高的場合也可以用常用的整流電路得到的20V直流電壓取代M57120作為M57140-01的輸入端，也可以采用整流電路直接得到的15V直流電壓為PM100DSA120供電，但效果不如圖5所示的方案，實踐應(yīng)用中證明了這一點。
3 IPM保護電路的設(shè)計
完善的系統(tǒng)保護不能只依靠IPM的內(nèi)部保護機制，需要輔助外圍的保護電路，這可以通過硬件的方式實現(xiàn)，也可以通過軟件的方式實現(xiàn)。
3.1 IPM保護電路的硬件實現(xiàn)
實現(xiàn)方式很多，列舉兩個例子說明。
方案一? PWM接口電路前置74HC245、74HC244等帶控制端的三態(tài)收發(fā)器，如圖6所示。IPM的控制信號經(jīng)過74HC245的輸入、74HC245的輸出后送至IPM接口電路；各個IPM的故障輸出信號經(jīng)光耦隔離輸出后得到高電平FO，送入或門，或門輸出經(jīng)過R-C低通濾波器后，送入74HC245的使能端／OE。IPM正常工作時，或門輸出為低電平，74HC245選通；IPM故障報警時，或門輸出為高電平，74HC245所有輸出置為高阻，封鎖各個IPM的控制信號，關(guān)斷IPM；實現(xiàn)了保護功能。
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方案二? PWM接口電路前置一級帶控制端的光耦，如6N137。方案二的原理與方案一類似，只是由于高電平使能控光耦合6N137，或門換成了或非門，其輸出經(jīng)過R-C低通濾波器后，送入了可控光耦合6N137的光耦使能端VE， 但同樣在IPM故障報警時封鎖IPM的控制信號通道，實現(xiàn)了保護功能。
需要注意的是，為縮短故障響應(yīng)時間，R-C低通濾波器時間常數(shù)應(yīng)該小。兩級光耦延長了響應(yīng)時間，應(yīng)選用高速光耦。
以上兩種方案都是利用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。
3.2 IPM保護電路的軟件實現(xiàn)
軟件的基本思路是:IPM故障報警時，故障輸出信號送到控制器處理，處理器確認后，利用軟件關(guān)斷IPM的控制信號，從而達到保護目的。
綜上所述，軟件保護不需增加硬件，簡便易行，但可能受到軟件設(shè)計和計算機故障的影響；硬件保護則反應(yīng)迅速，工作可靠。實踐應(yīng)用中軟件與硬件結(jié)合的保護方式能更好地提高系統(tǒng)的可靠性。
4 IPM的驅(qū)動和保護電路的設(shè)計實例
筆者在DSP控制開關(guān)磁阻電機的項目中，選用IPM作為功率變換器的主開關(guān)器件，控制器采用了德州公司的TMS320F240 數(shù)字信號處理器，功率驅(qū)動電路的輸入(即IPM的控制信號)由TMS320F240內(nèi)含的全比較單元相對應(yīng)的PWM1～PWM4產(chǎn)生。
TMS320F240的事件管理器模塊包含一個功率驅(qū)動保護引腳(PDPINT)，當(dāng)該引腳被拉低時，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，因此PDPINT可用來為監(jiān)控程序提供電機驅(qū)動的異常情況，并實現(xiàn)故障保護。
驅(qū)動電路的設(shè)計如圖4所示。保護電路選用軟件保護，四個功率器件IPM的故障信號經(jīng)過光耦隔離，送至或非門CD4078，其輸出經(jīng)過低通阻容濾波器連接到DSP的PDPINT引腳。當(dāng)IPM故障報警時，PDPINT引腳被拉為低電平，DSP內(nèi)部定時器立即停止工作，所有PWM輸出呈高阻態(tài)，封鎖IPM控制信號；同時產(chǎn)生中斷信號，通知DSP有故障情況發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中判斷發(fā)生何種故障，并顯示故障代碼。
圖7為負載電流為8A、SRM額定轉(zhuǎn)速運行時IPM的15V驅(qū)動電壓波形。
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實際運行效果顯示，IPM供電電源穩(wěn)定，IPM運行良好，保護電路可以可靠地保護功率器件。
IPM正常工作對電源的要求相當(dāng)高，文中介紹的驅(qū)動電路可以很好地滿足IPM的工作要求；IPM自身的保護電路不具有保持性，完善的系統(tǒng)保護必須輔助外圍保護電路；利用IPM自身的故障輸出信號封鎖IPM的控制信號輸入可以方便、有效地保護器件。
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參考文獻
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