基于三菱IPM模塊的外圍接口電路設計

摘要：介紹了三菱IBM的基本工作特性，并以第五代智能功率模塊PS21563-P為例，闡述了IPM模塊外圍接口電路的設計。在充分利用該模塊的各種故障檢測及保護電路的基礎上，為了使系統安全、可靠的運行，又提出了母線(xiàn)電路中欠、過(guò)壓保護電路設計，最后通過(guò)實(shí)例證明該接口電路設計具有結構簡(jiǎn)單、運行可靠等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：智能功率模塊；故障檢測；三菱IBM

由于IPM模塊的高集成化、智能化、小型化、保護電路功能齊全、控制驅動(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應用于伺服電機等領(lǐng)域。傳統的IPM使用了分立元器件，使的控制電路難以實(shí)現低成本小型化要求，而且控制電路的寄生電容或電感產(chǎn)生的噪音有時(shí)會(huì )使IGBT產(chǎn)生誤動(dòng)作。隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的不斷提高，加劇了寄生電容或電感對電路的影響。為了提高變頻系統的可靠性，實(shí)現小型化、降低系統成本，本文以三菱公司的第五代IPM模塊PS21563-P為例，介紹了IPM外圍驅動(dòng)和保護電路的設計，并提供了一種IPM過(guò)、欠壓保護功能硬件的設計方法。

1 TPM基本工作特性簡(jiǎn)介
1．1 IPM的結構
IPM智能功率模塊將IGBT芯片、快速二極管，控制和驅動(dòng)電路，欠壓、過(guò)流、短路和過(guò)熱保護電路、自診斷電路等封裝在一起，從而使電力電了逆變器獲得了高頻化、小型化、高可靠性和易維護等優(yōu)點(diǎn)，也使得整個(gè)電路設計簡(jiǎn)化，成本降低。由于采用了兩種不同的封裝技術(shù)，使得內置柵極驅動(dòng)及保護電路能適用的電流范圍更寬。小功率器件采用多層環(huán)氧樹(shù)脂粘合絕緣技術(shù)，而中大功率器件采用一種陶瓷絕緣技術(shù)。IPM根據內部功率電路配置的不同可以分為單管封裝H型、雙管封裝D型、六合一封裝C型和七合一封裝R型四種形式。以六合一封裝C型IPM為例，其內部功能框圖如圖1所示。

1．2 IPM的保護功能
IPM內置有控制電源的欠壓保護、過(guò)流保護、過(guò)溫保護和短路保護，當其中任一種保護功能動(dòng)作出現時(shí)，IGBT驅動(dòng)單元就會(huì )封鎖門(mén)極，并輸出一個(gè)故障信號。
(1)短路保護(SC) IPM的N—side(下臂)具有短路(SC)保護，并且可產(chǎn)生故障信號。若負載發(fā)生短路或控制系統發(fā)生故障導致短路，通過(guò)旁路電阻和RC檢測到下橋臂直流母線(xiàn)電壓的線(xiàn)電流超過(guò)短路電流的參考電壓值，并且短路時(shí)間超過(guò)toff(SC)時(shí)，則發(fā)生短路保護，所有下橋臂IGBT的柵極驅動(dòng)單元郜將被封鎖．并輸出故障信號。
(2)控制電壓欠壓保護(UV) IPM的上、下橋臂都設有欠壓保護(UV)功能，當控制電壓降低時(shí)，會(huì )導致IGBT的Vce(sat)功耗增加，為了防止過(guò)熱而損壞元件，當檢測到控制電壓低于12．5 V時(shí)，發(fā)生欠壓保護，IGBT的柵極驅動(dòng)單元都將被封鎖，并輸出故障信號。
(3)過(guò)溫保護(OT) 七管封裝的R型IPM在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝有溫度傳感器。IPM溫度傳感器可以直接檢測IGBT單元硅片的溫度，當溫度超過(guò)設定值(0T動(dòng)作電平)時(shí)，IGBT封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，并輸出故障信號。
(4)過(guò)流保護(OC) 有些六管封裝的C型IPM具有過(guò)流保護功能。當流過(guò)IGBT的電流超過(guò)過(guò)流值時(shí)，發(fā)生過(guò)流保護，IGBT封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。
當IPM發(fā)生UV、OT、OC、SC任一故障時(shí)，其故障輸出信號持續時(shí)間tOF為1．8 ms，在一般情況下SC持續時(shí)間會(huì )更長(cháng)一些。此時(shí)間內IPM會(huì )封鎖門(mén)極信號，關(guān)斷IPM。故障輸出信號結束后，IPM內部自動(dòng)復位，門(mén)極驅動(dòng)通道開(kāi)放。由此可見(jiàn)，器件自身產(chǎn)生的故障信號不能持續，若tOF結束后故障仍沒(méi)有排除，IPM就會(huì )重復自動(dòng)保護過(guò)程，反復動(dòng)作。這種情況對系統是極其不利的。因此，只靠IPM內部自身的保護電路來(lái)實(shí)現系統的安全可靠運行是不夠的，還需要輔助的外圍保護電路。