中心論題：
- 智能功率模塊(IPM) 具有GTR和MOSFET兩者的優(yōu)點(diǎn)
- IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力
- 以PM100DSA120為例介紹IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
- 介紹IPM保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，包括硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩方面
解決方案：
- IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要注意柵極的加壓保護(hù)等方面
- 通過硬件或軟件方式實(shí)現(xiàn)外圍輔助保護(hù)電路，和IPM的內(nèi)部保護(hù)機(jī)制一起構(gòu)成完善的系統(tǒng)保護(hù)
智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫，是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，具有GTR大功率晶體管高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)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(shí)間，也大大增強(qiáng)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(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
IPM的基本工作特性
a.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(dòng)及保護(hù)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(dòng)GTR，因而IGBT具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。
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(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)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。
b. IPM內(nèi)部功能機(jī)制
IPM的功能框圖如圖2所示。IPM內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計(jì)。
IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)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(jìn)一步的提高。
保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(FO)。各種保護(hù)功能具體如下：
(1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV):IPM使用單一的+15V供電，若供電電壓低于12.5V；且時(shí)間超過toff=10ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號。
(2)過溫保護(hù)(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)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(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號。
(3)過流保護(hù)(OC):若流過IGBT的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)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(hù)和短路保護(hù)操作可參見圖3。其中，VG為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)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。
(4)短路保護(hù)(SC):若負(fù)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(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號。跟過流保護(hù)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(hù)的電流檢測和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)；使響應(yīng)時(shí)間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。
當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí)，其故障輸出信號持續(xù)時(shí)間tFO為1.8ms(SC持續(xù)時(shí)間會長一些)，此時(shí)間內(nèi)IPM會封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷IPM；故障輸出信號持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)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(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。
IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
a.IGBT的分立驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題亦即MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù)，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(dòng)電流，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍。圖4為IGBT柵極保護(hù)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(dòng)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(dòng)電路的輸出電流應(yīng)足夠大，這一點(diǎn)設(shè)計(jì)者往往忽略。假定開通驅(qū)動(dòng)時(shí)，在上升時(shí)間tr內(nèi)線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅(qū)動(dòng)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(fù)偏壓，因此最好采用雙電源供電。
b.IGBT集成式驅(qū)動(dòng)電路
IGBT的分立式驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護(hù)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(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動(dòng)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。
c.IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
現(xiàn)以PM100DSA120為例進(jìn)行介紹。PM100DSA120是一種D型的IPM，內(nèi)部封裝了兩個(gè)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(dòng)電路，與IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便，只要能提供15V直流電壓即可。
但是IPM對驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格；具體為:①驅(qū)動(dòng)電壓范圍為15V±10%；電壓低于13.5V將發(fā)生欠壓保護(hù)，電壓高于16.5V將可能損壞內(nèi)部部件。②驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離，以避免地線噪聲干擾。③驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流可以參閱器件給出的20kHz驅(qū)動(dòng)電流要求，根據(jù)實(shí)際的開關(guān)頻率加以修正。⑤驅(qū)動(dòng)電路輸出端濾波電容不能太大，這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過100pF時(shí)，噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路不僅結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，而且抗干擾能力強(qiáng)，典型電路如圖5所示。
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，起到電氣隔離IPM與外部電路的作用，IPM的控制信號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(shí)踐應(yīng)用中證明了這一點(diǎn)。
IPM保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
完善的系統(tǒng)保護(hù)不能只依靠IPM的內(nèi)部保護(hù)機(jī)制，需要輔助外圍的保護(hù)電路，這可以通過硬件的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)。
a.IPM保護(hù)電路的硬件實(shí)現(xiàn)
實(shí)現(xiàn)方式很多，列舉兩個(gè)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(gè)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(shí)，或門輸出為低電平，74HC245選通；IPM故障報(bào)警時(shí)，或門輸出為高電平，74HC245所有輸出置為高阻，封鎖各個(gè)IPM的控制信號，關(guān)斷IPM；實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。
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(bào)警時(shí)封鎖IPM的控制信號通道，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。
需要注意的是，為縮短故障響應(yīng)時(shí)間，R-C低通濾波器時(shí)間常數(shù)應(yīng)該小。兩級光耦延長了響應(yīng)時(shí)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(bǔ)了IPM自身保護(hù)的不足，有效地保護(hù)了器件。
b.IPM保護(hù)電路的軟件實(shí)現(xiàn)
軟件的基本思路是:IPM故障報(bào)警時(shí)，故障輸出信號送到控制器處理，處理器確認(rèn)后，利用軟件關(guān)斷IPM的控制信號，從而達(dá)到保護(hù)目的。
綜上所述，軟件保護(hù)不需增加硬件，簡便易行，但可能受到軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)故障的影響；硬件保護(hù)則反應(yīng)迅速，工作可靠。實(shí)踐應(yīng)用中軟件與硬件結(jié)合的保護(hù)方式能更好地提高系統(tǒng)的可靠性。
IPM的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)實(shí)例
筆者在DSP控制開關(guān)磁阻電機(jī)的項(xiàng)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(dòng)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(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳(PDPINT)，當(dāng)該引腳被拉低時(shí)，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(jī)驅(qū)動(dòng)的異常情況，并實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。保護(hù)電路選用軟件保護(hù)，四個(gè)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(bào)警時(shí)，PDPINT引腳被拉為低電平，DSP內(nèi)部定時(shí)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(shí)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(fù)載電流為8A、SRM額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)IPM的15V驅(qū)動(dòng)電壓波形。
實(shí)際運(yùn)行效果顯示，IPM供電電源穩(wěn)定，IPM運(yùn)行良好，保護(hù)電路可以可靠地保護(hù)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(dòng)電路可以很好地滿足IPM的工作要求；IPM自身的保護(hù)電路不具有保持性，完善的系統(tǒng)保護(hù)必須輔助外圍保護(hù)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(hù)器件。
