IPM驅動(dòng)和保護電路的研究
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高開(kāi)關(guān)頻率和低驅動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且ＩＰＭ內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來(lái)方便，不僅減小了系統的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間，也大大增強了系統的可靠性，適應了當今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復合化和功率集成電路（ＰＩＣ），在電力電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例，介紹ＩＰＭ的基本特性，然后著(zhù)重介紹ＩＰＭ的驅動(dòng)和保護電路的設計。１ ＩＰＭ的基本工作特性 １．１ ＩＰＭ的結構 ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優(yōu)選的門(mén)級驅動(dòng)及保護電路構成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復合，由ＭＯＳＦＥＴ驅動(dòng)ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。 ＩＰＭ根據內部功率電路配置的不同可分為四類(lèi)：Ｈ型（內部封裝一個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｄ型（內部封裝兩個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｃ型（內部封裝六個(gè)ＩＧＢＴ）和Ｒ型（內部封裝七個(gè)ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多層環(huán)氧絕緣系統，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷絕緣。 １．２ ＩＰＭ內部功能機制 ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內置驅動(dòng)和保護電路，隔離接口電路需用戶(hù)自己設計。 ＩＰＭ內置的驅動(dòng)和保護電路使系統硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的ＩＧＢＴ模塊相比，ＩＰＭ在系統性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。
保護電路可以實(shí)現控制電壓欠壓保護、過(guò)熱保護、過(guò)流保護和短路保護。如果ＩＰＭ模塊中有一種保護電路動(dòng)作，ＩＧＢＴ柵極驅動(dòng)單元就會(huì )關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號（ＦＯ）。各種保護功能具體如下： （１）控制電壓欠壓保護（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(guò)ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，發(fā)生欠壓保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。 （２）過(guò)溫保護（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ＩＰＭ溫度傳感器測出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)溫保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。 （３）過(guò)流保護(ＯＣ)：若流過(guò)ＩＧＢＴ的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)ｔｏｆｆ，則發(fā)生過(guò)流保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關(guān)斷模式，過(guò)流保護和短路保護操作可參見(jiàn)圖３。其中，ＶＧ為內部門(mén)極驅動(dòng)電壓，ＩＳＣ為短路電流值，ＩＯＣ為過(guò)流電流值，ＩＣ為集電極電流，ＩＦＯ為故障輸出電流。
（４）短路保護(ＳＣ)：若負載發(fā)生短路或控制系統故障導致短路，流過(guò)ＩＧＢＴ的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。跟過(guò)流保護一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護的電流檢測和故障動(dòng)作間的響應時(shí)間，ＩＰＭ內部使用實(shí)時(shí)電流控制電路（ＲＴＣ）,使響應時(shí)間小于１００ｎｓ，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。 當ＩＰＭ發(fā)生ＵＶ、ＯＣ、ＯＴ、ＳＣ中任一故障時(shí)，其故障輸出信號持續時(shí)間ｔＦＯ為１．８ｍｓ（ＳＣ持續時(shí)間會(huì )長(cháng)一些），此時(shí)間內ＩＰＭ會(huì )封鎖門(mén)極驅動(dòng)，關(guān)斷ＩＰＭ；故障輸出信號持續時(shí)間結束后，ＩＰＭ內部自動(dòng)復位，門(mén)極驅動(dòng)通道開(kāi)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結束后故障源仍舊沒(méi)有排除，ＩＰＭ就會(huì )重復自動(dòng)保護的過(guò)程，反復動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護動(dòng)作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動(dòng)作，因此僅靠ＩＰＭ內部保護電路還不能完全實(shí)現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。 ２ ＩＰＭ驅動(dòng)電路的設計 驅動(dòng)電路是ＩＰＭ主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動(dòng)電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
２．１ ＩＧＢＴ的分立驅動(dòng)電路的設計 ＩＧＢＴ的驅動(dòng)設計問(wèn)題亦即ＭＯＳＦＥＴ的驅動(dòng)設計問(wèn)題,設計時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：①ＩＧＢＴ柵極耐壓一般在%26;#177;２０Ｖ左右，因此驅動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Ｃｉｎ，從而影響開(kāi)關(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動(dòng)電流，使用時(shí)應根據需要取舍。圖４為ＩＧＢＴ柵極保護原理圖，其中，ＲＧ、ＤＺ、Ｃｉｎ分別為等效柵極阻抗、穩壓管和等效輸入電容。②盡管ＩＧＢＴ所需驅動(dòng)功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在輸入電容Ｃｉｎ，開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對電容充放電，因此驅動(dòng)電路的輸出電流應足夠大，這一點(diǎn)設計者往往忽略。假定開(kāi)通驅動(dòng)時(shí)，在上升時(shí)間ｔｒ內線(xiàn)性地對ＭＯＳＦＥＴ輸入電容Ｃｉｎ充電，則驅動(dòng)電流為Ｉｇｔ＝CinUgs/tr，其中可?。簦颍剑?２ＲＣｉｎ，Ｒ為輸入回路電阻。③為可靠關(guān)閉ＩＧＢＴ, 防止擎住現象, 要給柵極加一負偏壓，因此最好采用雙電源供電。 ２．２ ＩＧＢＴ集成式驅動(dòng)電路 ＩＧＢＴ的分立式驅動(dòng)電路中分立元件多，結構復雜，保護功能比較完善的分立電路就更加復雜，可靠性和性能都比較差，因此實(shí)際應用中大多數采用集成式驅動(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集成電路等應用都很廣泛。 ２．３ ＩＰＭ驅動(dòng)電路設計 現以ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例進(jìn)行介紹。ＰＭ１００ＤＳＡ１２０是一種Ｄ型的ＩＰＭ，內部封裝了兩個(gè)ＩＧＢＴ，工作在１２００Ｖ／１００Ａ以下，功率器件的開(kāi)關(guān)頻率最大為２０ｋＨｚ。由于ＩＰＭ內置了驅動(dòng)電路，與ＩＧＢＴ驅動(dòng)電路設計相比，外圍驅動(dòng)電路的設計比較方便，只要能提供１５Ｖ直流電壓即可。 但是ＩＰＭ對驅動(dòng)電路輸出電壓的要求很?chē)栏?熏具體為：①驅動(dòng)電壓范圍為１５Ｖ%26;#177;１０％?熏電壓低于１３．５Ｖ將發(fā)生欠壓保護，電壓高于１６．５Ｖ將可能損壞內部部件。②驅動(dòng)電壓相互隔離，以避免地線(xiàn)噪聲干擾。③驅動(dòng)電源絕緣電壓至少是ＩＰＭ極間反向耐壓值的兩倍（２Ｖｃｅｓ）。④驅動(dòng)電流可以參閱器件給出的２０ｋＨｚ驅動(dòng)電流要求，根據實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率加以修正。⑤驅動(dòng)電路輸出端濾波電容不能太大，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。 這里介紹一種可獲得高質(zhì)量１５Ｖ電源的方案。該方案驅動(dòng)電路不僅結構緊湊、簡(jiǎn)單，而且抗干擾能力強，典型電路如圖５所示。圖5 IPM驅動(dòng)電路和外圍隔離電路圖中各器件的類(lèi)型和參數已經(jīng)標出，其中，Ｍ５７１４０－０１和Ｍ５７１２０Ｌ是三菱公司為其ＩＰＭ系列產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)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(guò)光耦傳輸。 在應用要求不高的場(chǎng)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)踐應用中證明了這一點(diǎn)。 ３ ＩＰＭ保護電路的設計 完善的系統保護不能只依靠ＩＰＭ的內部保護機制，需要輔助外圍的保護電路，這可以通過(guò)硬件的方式實(shí)現，也可以通過(guò)軟件的方式實(shí)現。 ３.１ ＩＰＭ保護電路的硬件實(shí)現 實(shí)現方式很多，列舉兩個(gè)例子說(shuō)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(guò)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(mén)，或門(mén)輸出經(jīng)過(guò)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(mén)輸出為低電平，７４ＨＣ２４５選通；ＩＰＭ故障報警時(shí)，或門(mén)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)現了保護功能。
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(lèi)似，只是由于高電平使能控光耦合６Ｎ１３７，或門(mén)換成了或非門(mén)，其輸出經(jīng)過(guò)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故障報警時(shí)封鎖ＩＰＭ的控制信號通道，實(shí)現了保護功能。 需要注意的是，為縮短故障響應時(shí)間，Ｒ－Ｃ低通濾波器時(shí)間常數應該小。兩級光耦延長(cháng)了響應時(shí)間，應選用高速光耦。 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，因而彌補了ＩＰＭ自身保護的不足，有效地保護了器件。 ３.２ ＩＰＭ保護電路的軟件實(shí)現 軟件的基本思路是：ＩＰＭ故障報警時(shí)，故障輸出信號送到控制器處理，處理器確認后，利用軟件關(guān)斷ＩＰＭ的控制信號，從而達到保護目的。 綜上所述，軟件保護不需增加硬件，簡(jiǎn)便易行，但可能受到軟件設計和計算機故障的影響；硬件保護則反應迅速，工作可靠。實(shí)踐應用中軟件與硬件結合的保護方式能更好地提高系統的可靠性。
４ ＩＰＭ的驅動(dòng)和保護電路的設計實(shí)例 筆者在ＤＳＰ控制開(kāi)關(guān)磁阻電機的項目中，選用ＩＰＭ作為功率變換器的主開(kāi)關(guān)器件，控制器采用了德州公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 數字信號處理器，功率驅動(dòng)電路的輸入（即ＩＰＭ的控制信號）由ＴＭＳ３２０Ｆ２４０內含的全比較單元相對應的ＰＷＭ１～ＰＷＭ４產(chǎn)生。 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的事件管理器模塊包含一個(gè)功率驅動(dòng)保護引腳（ＰＤＰＩＮＴ），當該引腳被拉低時(shí)，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài)，因此ＰＤＰＩＮＴ可用來(lái)為監控程序提供電機驅動(dòng)的異常情況，并實(shí)現故障保護。 驅動(dòng)電路的設計如圖４所示。保護電路選用軟件保護，四個(gè)功率器件ＩＰＭ的故障信號經(jīng)過(guò)光耦隔離，送至或非門(mén)ＣＤ４０７８，其輸出經(jīng)過(guò)低通阻容濾波器連接到ＤＳＰ的ＰＤＰＩＮＴ引腳。當ＩＰＭ故障報警時(shí)，ＰＤＰＩＮＴ引腳被拉為低電平，ＤＳＰ內部定時(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為負載電流為８Ａ、ＳＲＭ額定轉速運行時(shí)ＩＰＭ的１５Ｖ驅動(dòng)電壓波形。 實(shí)際運行效果顯示，ＩＰＭ供電電源穩定，ＩＰＭ運行良好，保護電路可以可靠地保護功率器件。 ＩＰＭ正常工作對電源的要求相當高，文中介紹的驅動(dòng)電路可以很好地滿(mǎn)足ＩＰＭ的工作要求；ＩＰＭ自身的保護電路不具有保持性，完善的系統保護必須輔助外圍保護電路；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、有效地保護器件。
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