IPM電路設計及在單相逆變器中的應用

IPM電路設計及在單相逆變器中的應用

智能功率模塊(IntelligentPowerModule，IPM)以開(kāi)關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護功能、抗干擾能力強、無(wú)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(lái)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用。

智能功率模塊(IPM)的結構

IPM由高速、低功率IGWT、優(yōu)選的門(mén)級驅動(dòng)器及保護電路構成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復合，由MOSFET驅動(dòng)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(kāi)關(guān)頻率和低驅動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。

根據內部功率電路配置情況，IPM有多種類(lèi)型，如PM200DSA060型：IPM為D型(內部集成2個(gè)IGBT)，其內部功能框圖如圖1所示，內部結構如圖2所示。內有驅動(dòng)和保護電路，保護功能有控制電源欠壓鎖定保護、過(guò)熱保護、過(guò)流保護和短路保護，當其中任一種保護功能動(dòng)作時(shí)。IPM將輸出故障信號FO。

IPM內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。

IPM的外部驅動(dòng)電路是IPM內部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅動(dòng)電路對以IPM構成的系統的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

由IPM內部結構圖可見(jiàn)，器件本身含有驅動(dòng)電路。所以只要提供滿(mǎn)足驅動(dòng)功率要求的PWM信號、驅動(dòng)電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是.IPM對驅動(dòng)電路輸出電壓的要求很?chē)栏瘢候寗?dòng)電壓范圍為13.5V~16.5V，電壓低于13.5V將發(fā)生欠壓保護，電壓高于16.5V可能損壞內部部件，驅動(dòng)信號頻率為5Hz-20kHz，且需采用電氣隔離裝置。防止干擾：驅動(dòng)電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2倍(2Vces)，驅動(dòng)電流達19mA一26mA，驅動(dòng)電路輸出端的濾波電容不能太大，這是因為當寄生電容超過(guò)100pF時(shí)。噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內部驅動(dòng)電路。

圖3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅動(dòng)電路方案。來(lái)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內部驅動(dòng)電路并控制開(kāi)關(guān)管工作，FO信號也經(jīng)過(guò)光耦隔離輸出。其中每個(gè)開(kāi)關(guān)管的控制電源端采用獨立隔離的穩壓。15V電源，且接1只10μF的退耦電容器(圖中未畫(huà)出)以濾去共模噪聲。Rl根據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IPM驅動(dòng)電流選值，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內選取。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(huà)出)。FO輸出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的內部引腳功能如表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(xiàn)的距離應適當，避免開(kāi)關(guān)時(shí)干擾引起的電位變化。

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

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(guò)外圍硬件或軟件的輔助電路將內部提供的：FO信號轉換為封鎖IPM的控制信號，關(guān)斷IPM，實(shí)現保護。

1、硬件

IPM有故障時(shí)，FO輸出低電平，通過(guò)高速光耦到達硬件電路，關(guān)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的3態(tài)收發(fā)器(如74HC245)。PWM信號經(jīng)過(guò)3態(tài)收發(fā)器后送至IPM接口電路，IPM的故障輸出信號FO經(jīng)光耦隔離輸出送入與非門(mén)。再送到3態(tài)收發(fā)器使能端OE。IPM正常工作時(shí)與非門(mén)輸出為低電平。3態(tài)收發(fā)器選通，IPM有故障時(shí)與非門(mén)輸出為高電平。3態(tài)收發(fā)器所有輸出置為高阻態(tài)。封鎖各個(gè)IPM的控制信號，關(guān)斷IPM，實(shí)現保護。

2、軟件

IPM有故障時(shí)FO輸出低電平，FO信號通過(guò)高速光耦送到控制器進(jìn)行處理。處理器確認后。利用中斷或軟件關(guān)斷IPM的PWM控制信號，從而達到保護目的。如在基于DSP控制的系統中，利用事件管理器中功率驅動(dòng)保護引腳(PDPINT)中斷實(shí)現對IPM的保護。通常1個(gè)事件管理器嚴生的多路PWM可控制多個(gè)IPM工作.其中每個(gè)開(kāi)關(guān)管均可輸出FO信號，每個(gè)開(kāi)關(guān)管的FO信號通過(guò)與門(mén).當任一開(kāi)關(guān)管有故障時(shí)輸出低電平，與門(mén)輸出低電平。將該引腳連至PDPINT，由于PDPINT為低電平時(shí)DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài)，從而達到保護目的。

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。

智能功率模塊(IPM)的緩沖電路設計

在IPM應用中，由于高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的di/dt、dv/dt和瞬時(shí)功耗會(huì )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(即吸收電路)，目的是改變器件的開(kāi)關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過(guò)壓，降低器件開(kāi)關(guān)損耗，保護器件安全運行。

圖4為常用的3種IPM緩沖電路。圖4(a)為單只無(wú)感電容器構成的緩沖電路，對瞬變電壓有效且成本低，適用于小功率IPM。圖4(b)為RCD構成的緩沖電路，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(xiàn)寄生電感可能引起的寄生振蕩。其RC時(shí)間常數應設計為開(kāi)關(guān)周期的1/3，即r=T/3=1/3f。圖4(c)為P型RCD和N型RCD構成的緩沖電路，適用于大功率IPM。功能類(lèi)似于圖4(b)所示的緩沖電路，其回路電感更小。若同時(shí)配合使用圖4(a)所示的緩沖電路。還能減小緩沖二極管的應力，緩沖效果更好。

在圖4(c)中，當IGBT關(guān)斷時(shí)，負載電流經(jīng)緩沖二極管向緩沖電容器充電，同時(shí)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(shí)達到最大值。IGBT集電極母線(xiàn)電感、電路及其元件內部的雜散電感在IGBT開(kāi)通時(shí)儲存的能量，這時(shí)儲存在緩沖電容器中。當IGBT開(kāi)通時(shí)，集電極母線(xiàn)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(shí)達到最大值。此時(shí)，緩沖電容器通過(guò)外接電阻器和IGBT開(kāi)關(guān)放電，其儲存的開(kāi)關(guān)能量也隨之在外接電阻器和電路、元件內部的電阻器上耗散。如此，便將IGBT運行時(shí)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗轉移到緩沖電路，最后在相關(guān)電阻器上以熱的形式耗散，從而保護IGBT安全運行。

圖4(c)中的電阻值和電容值按經(jīng)驗數據選?。喝鏟M200DSA060的電容值為0.221xF~0.47xF，耐壓值是IGBT的1.1倍~1.5倍，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的工作峰值電壓。C為緩沖電路與電阻器串聯(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，可以根據功率大小選擇封裝好的圖4所示的緩沖電路。

另外，由于母線(xiàn)電感、緩沖電路及其元件內部的雜散電感對IPM尤其是大功率IPM有極大的影響，因此愈小愈好。要減小這些電感需從多方面人手：直流母線(xiàn)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(wú)極電容器、與IPM相匹配的快速緩沖二極管及無(wú)感泄放電阻器。

智能功率模塊(IPM)在單相全橋逆變器中的應用

圖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。逆變電路包括逆變全橋和濾波電路，其中逆變全橋完成直流到交流的變換.濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電，控制電路完成對逆變橋中開(kāi)關(guān)管的控制并實(shí)現部分保護功能。

圖中的逆變全橋由4個(gè)開(kāi)關(guān)管和4個(gè)續流二極管組成，工作時(shí)開(kāi)關(guān)管在高頻條件下通斷.開(kāi)關(guān)瞬間開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管瞬間損壞，以往常用分立元件設計開(kāi)關(guān)管的保護電路和驅動(dòng)電路，導致電路龐大且不可靠。

本文采用一對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的控制，完成了中頻率20kW、230V逆變器的設計和調試，采用了如上所述的驅動(dòng)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(shí)踐表明：使用IPM可簡(jiǎn)化系統硬件電路、縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間、提高可靠性、縮小體積，提高保護能力。