智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)以開關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點(diǎn)在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。以PM200DSA060型IPM為例。介紹IPM應(yīng)用電路設(shè)計和在單相逆變器中的應(yīng)用。

智能功率模塊(IPM)的結(jié)構(gòu)

IPM由高速、低功率IGWT、優(yōu)選的門級驅(qū)動器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動GTR，因而IPM具有GTR高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、MOSFET高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況，IPM有多種類型，如PM200DSA060型：IPM為D型(內(nèi)部集成2個IGBT)，其內(nèi)部功能框圖如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)有驅(qū)動和保護(hù)電路，保護(hù)功能有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)，當(dāng)其中任一種保護(hù)功能動作時。IPM將輸出故障信號FO。

IPM內(nèi)部電路不含防止干擾的信號隔離電路、自保護(hù)功能和浪涌吸收電路。為了保證IPM安全可靠。需要自己設(shè)計部分外圍電路。智能功率模塊(IPM)的外部驅(qū)動電路設(shè)計

IPM的外部驅(qū)動電路是IPM內(nèi)部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅(qū)動電路對以IPM構(gòu)成的系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

由IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可見，器件本身含有驅(qū)動電路。所以只要提供滿足驅(qū)動功率要求的PWM信號、驅(qū)動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是.IPM對驅(qū)動電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動電壓范圍為13.5V~16.5V，電壓低于13.5V將發(fā)生欠壓保護(hù)，電壓高于16.5V可能損壞內(nèi)部部件，驅(qū)動信號頻率為5Hz-20kHz，且需采用電氣隔離裝置。防止干擾：驅(qū)動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2倍(2Vces)，驅(qū)動電流達(dá)19mA一26mA，驅(qū)動電路輸出端的濾波電容不能太大，這是因?yàn)楫?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。

圖3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅(qū)動電路方案。來自控制電路的PWM信號經(jīng)R1限流，再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動電路并控制開關(guān)管工作，F(xiàn)O信號也經(jīng)過光耦隔離輸出。其中每個開關(guān)管的控制電源端采用獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓。15V電源，且接1只10μF的退耦電容器(圖中未畫出)以濾去共模噪聲。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選取.如用DSP產(chǎn)生PWM，則R1的阻值可為330Ω。R2根據(jù)IPM驅(qū)動電流選值，一方面應(yīng)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內(nèi)選取。C1為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型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦輸入端接1只O.1μ的退耦電容器(圖中未畫出)。FO輸出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的內(nèi)部引腳功能如表1所示。

圖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(yīng)適當(dāng)，避免開關(guān)時干擾引起的電位變化。

另外，考慮到強(qiáng)電可能造成外部驅(qū)動電路到IPM引線的干擾，可以在引腳1~4間，3~4間，4~5間根據(jù)干擾大小加濾波電容器。

智能功率模塊(IPM)的保護(hù)電路設(shè)計

由于IPM本身提供的保護(hù)電路不具備自保護(hù)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(zhuǎn)換為封鎖IPM的控制信號，關(guān)斷IPM，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

1、硬件