單相逆變器智能功率模塊應用電路設計

智能功率模塊(intelligent power module，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。

2 ipm的結構

ipm由高速、低功率igbt、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g(shù)tr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。

3 ipm的外部驅動(dòng)電路設計

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-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。r1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，可在2kω～6.8kω內選取。c1為2端與地間的0.1μf濾波電容器，pwm隔離光耦的要求是tplh<0.8μf，tphl<0.8μf，cmr>10kv／μs，可選用hcpl4503型、hcpl4504型、ps2041型(nec)等高速光耦，且在光耦輸入端接1只0.1μf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。

4 ipm的保護電路設計

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。

4.1 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。

4.2 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)事件管理器產(chǎn)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。

5 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l／3，即τ=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?。喝鏿m200dsa060的電容值為0.22μf一0.47μf，耐壓值是igbt的1.1倍～1.5倍，電阻值為10ω～20ω，電阻功率按p=fcu2*10-6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?？梢愿鶕β蚀笮∵x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入手：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。

6 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。

筆者采用一對pm200dsa060雙單元ipm模塊分別代替圖中v1、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。