IPM驅動和保護電路的研究

　　摘要：介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅動和保護電路的設計方法，并給出了一個驅動和保護電路的設計實例。
　　關鍵詞：IGBT（絕緣柵雙極性晶體管）IPM（智能功率模塊）PIC（功率集成電路）
　　
　　智能功率模塊（ＩＰＭ）是ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ的縮寫，是一種先進的功率開關器件，具有ＧＴＲ(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點，以及ＭＯＳＦＥＴ（場效應晶體管）高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點。而且ＩＰＭ內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便，不僅減小了系統的體積以及開發(fā)時間，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），在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例，介紹ＩＰＭ的基本特性，然后著重介紹ＩＰＭ的驅動和保護電路的設計。
　　
　　１ＩＰＭ的基本工作特性
　　
　�。保�１ＩＰＭ的結構
　　
　　ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優(yōu)選的門級驅動及保護電路構成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復合，由ＭＯＳＦＥＴ驅動ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優(yōu)點。
　　
　�。桑校透鶕�內部功率電路配置的不同可分為四類：Ｈ型（內部封裝一個ＩＧＢＴ）、Ｄ型（內部封裝兩個ＩＧＢＴ）、Ｃ型（內部封裝六個ＩＧＢＴ）和Ｒ型（內部封裝七個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。
　　
　�。保�２ＩＰＭ內部功能機制
　　
　　ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內置驅動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設計。
　　
　�。桑校蛢戎玫尿寗雍捅Ｗo電路使系統硬件電路簡單、可靠，縮短了系統開發(fā)時間，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一步的提高。
　　
　　保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果ＩＰＭ模塊中有一種保護電路動作，ＩＧＢＴ柵極驅動單元就會關斷門極電流并輸出一個故障信號（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,且時間超過ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，發(fā)生欠壓保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。
　　
　　（２）過溫保護（ＯＴ）：在靠近ＩＧＢＴ芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當ＩＰＭ溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發(fā)生過溫保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。
　　
　�。ǎ常┻^流保護(ＯＣ)：若流過ＩＧＢＴ的電流值超過過流動作電流，且時間超過ｔｏｆｆ，則發(fā)生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關斷模式，過流保護和短路保護操作可參見圖３。其中，ＶＧ為內部門極驅動電壓，ＩＳＣ為短路電流值，ＩＯＣ為過流電流值，ＩＣ為集電極電流，ＩＦＯ為故障輸出電流。
　　
　�。ǎ矗┒搪繁Ｗo(ＳＣ)：若負載發(fā)生短路或控制系統故障導致短路，流過ＩＧＢＴ的電流值超過短路動作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的響應時間，ＩＰＭ內部使用實時電流控制電路（ＲＴＣ）,使響應時間小于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，其故障輸出信號持續(xù)時間ｔＦＯ為１．８ｍｓ（ＳＣ持續(xù)時間會長一些），此時間內ＩＰＭ會封鎖門極驅動，關斷ＩＰＭ；故障輸出信號持續(xù)時間結束后，ＩＰＭ內部自動復位，門極驅動通道開放。
　　
　　可以看出，器件自身產生的故障信號是非保持性的，如果ｔＦＯ結束后故障源仍舊沒有排除，ＩＰＭ就會重復自動保護的過程，反復動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動作，因此僅靠ＩＰＭ內部保護電路還不能完全實現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。
　　
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　�。桑校万寗与娐返脑O計
　　
　　驅動電路是ＩＰＭ主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動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。
　　
　�。玻�１ＩＧＢＴ的分立驅動電路的設計
　　
　　ＩＧＢＴ的驅動設計問題亦即ＭＯＳＦＥＴ的驅動設計問題,設計時應注意以下幾點：①ＩＧＢＴ柵極耐壓一般在±２０Ｖ左右，因此驅動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穩(wěn)壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Ｃｉｎ，從而影響開關速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根據需要取舍。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(wěn)壓管和等效輸入電容。②盡管ＩＧＢＴ所需驅動功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在輸入電容Ｃｉｎ，開關過程中需要對電容充放電，因此驅動電路的輸出電流應足夠大，這一點設計者往往忽略。假定開通驅動時，在上升時間ｔｒ內線性地對ＭＯＳＦＥＴ輸入電容Ｃｉｎ充電，則驅動電流為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。
　　
　�。玻�２ＩＧＢＴ集成式驅動電路
　　
　�。桑牵拢缘姆至⑹津寗与娐分蟹至⒃�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，因此實際應用中大多數采用集成式驅動電路。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。
　　
　　２．３ＩＰＭ驅動電路設計
　　
　　現以ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例進行介紹。ＰＭ１００ＤＳＡ１２０是一種Ｄ型的ＩＰＭ，內部封裝了兩個ＩＧＢＴ，工作在１２００Ｖ／１００Ａ以下，功率器件的開關頻率最大為２０ｋＨｚ。由于ＩＰＭ內置了驅動電路，與ＩＧＢＴ驅動電路設計相比，外圍驅動電路的設計比較方便，只要能提供１５Ｖ直流電壓即可。
　　
　　但是ＩＰＭ對驅動電路輸出電壓的要求很嚴格?熏具體為：①驅動電壓范圍為１５Ｖ±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驅動電壓相互隔離，以避免地線噪聲干擾。③驅動電源絕緣電壓至少是ＩＰＭ極間反向耐壓值的兩倍（２Ｖｃｅｓ）。④驅動電流可以參閱器件給出的２０ｋＨｚ驅動電流要求，根據實際的開關頻率加以修正。⑤驅動電路輸出端濾波電容不能太大，這是因為當寄生電容超過１００ｐＦ時，噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內部驅動電路。
　　
　　這里介紹一種可獲得高質量１５Ｖ電源的方案。該方案驅動電路不僅結構緊湊、簡單，而且抗干擾能力強，典型電路如圖５所示。
　　
　　圖5IPM驅動電路和外圍隔離電路
　　
　　圖中各器件的類型和參數已經標出，其中，Ｍ５７１４０－０１和Ｍ５７１２０Ｌ是三菱公司為其ＩＰＭ系列產品專門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通過光耦傳輸。
　　
　　在應用要求不高的場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，實踐應用中證明了這一點。
　　
　�。常桑校捅Ｗo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，這可以通過硬件的方式實現，也可以通過軟件的方式實現。
　　
　�。�.１ＩＰＭ保護電路的硬件實現
　　
　　實現方式很多，列舉兩個例子說明。
　　
　　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的控制信號經過７４ＨＣ２４５的輸入、７４ＨＣ２４５的輸出后送至ＩＰＭ接口電路；各個ＩＰＭ的故障輸出信號經光耦隔離輸出后得到高電平ＦＯ，送入或門，或門輸出經過Ｒ－Ｃ低通濾波器后，送入７４ＨＣ２４５的使能端ＯＥ。ＩＰＭ正常工作時，或門輸出為低電平，７４ＨＣ２４５選通；ＩＰＭ故障報警時，或門輸出為高電平，７４ＨＣ２４５所有輸出置為高阻，封鎖各個ＩＰＭ的控制信號，關斷ＩＰＭ，實現了保護功能。
　　
　　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似，只是由于高電平使能控光耦合６Ｎ１３７，或門換成了或非門，其輸出經過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
　　
　　
　　
　　障報警時封鎖ＩＰＭ的控制信號通道，實現了保護功能。
　　
　　需要注意的是，為縮短故障響應時間，Ｒ－Ｃ低通濾波器時間常數應該小。兩級光耦延長了響應時間，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。
　　
　�。�.２ＩＰＭ保護電路的軟件實現
　　
　　軟件的基本思路是：ＩＰＭ故障報警時，故障輸出信號送到控制器處理，處理器確認后，利用軟件關斷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。
　　
　�。矗桑校偷尿寗雍捅Ｗo電路的設計實例
　　
　　筆者在ＤＳＰ控制開關磁阻電機的項目中，選用ＩＰＭ作為功率變換器的主開關器件，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產生。
　　
　　ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的事件管理器模塊包含一個功率驅動保護引腳（ＰＤＰＩＮＴ），當該引腳被拉低時，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可用來為監(jiān)控程序提供電機驅動的異常情況，并實現故障保護。
　　
　　驅動電路的設計如圖４所示。保護電路選用軟件保護，四個功率器件ＩＰＭ的故障信號經過光耦隔離，送至或非門ＣＤ４０７８，其輸出經過低通阻容濾波器連接到ＤＳＰ的ＰＤＰＩＮＴ引腳。當ＩＰＭ故障報警時，ＰＤＰＩＮＴ引腳被拉為低電平，ＤＳＰ內部定時器立即停止工作，所有ＰＷＭ輸出呈高阻態(tài)，封鎖ＩＰＭ控制信號；同時產生中斷信號，通知ＤＳＰ有故障情況發(fā)生，在中斷服務程序中判斷發(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ＩＰＭ的１５Ｖ驅動電壓波形。
　　
　　實際運行效果顯示，ＩＰＭ供電電源穩(wěn)定，ＩＰＭ運行良好，保護電路可以可靠地保護功率器件。
　　
　�。桑校驼�常工作對電源的要求相當高，文中介紹的驅動電路可以很好地滿足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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