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(tǒng)安全、可靠的運行，又提出了母線電路中欠、過壓保護電路設計，最后通過實例證明該接口電路設計具有結構簡單、運行可靠等優(yōu)點。
關鍵詞：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(qū)動簡單等優(yōu)點，被廣泛的應用于伺服電機等領域。傳統(tǒng)的IPM使用了分立元器件，使的控制電路難以實現(xiàn)低成本小型化要求，而且控制電路的寄生電容或電感產(chǎn)生的噪音有時會使IGBT產(chǎn)生誤動作。隨著開關頻率的不斷提高，加劇了寄生電容或電感對電路的影響。為了提高變頻系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)小型化、降低系統(tǒng)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(qū)動和保護電路的設計，并提供了一種IPM過、欠壓保護功能硬件的設計方法。

1 TPM基本工作特性簡介
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(qū)動電路，欠壓、過流、短路和過熱保護電路、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，也使得整個電路設計簡化，成本降低。由于采用了兩種不同的封裝技術，使得內(nèi)置柵極驅(qū)動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)氧樹脂粘合絕緣技術，而中大功率器件采用一種陶瓷絕緣技術。IPM根據(jù)內(nèi)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(nèi)部功能框圖如圖1所示。

1．2 IPM的保護功能
IPM內(nèi)置有控制電源的欠壓保護、過流保護、過溫保護和短路保護，當其中任一種保護功能動作出現(xiàn)時，IGBT驅(qū)動單元就會封鎖門極，并輸出一個故障信號。
(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(tǒng)發(fā)生故障導致短路，通過旁路電阻和RC檢測到下橋臂直流母線電壓的線電流超過短路電流的參考電壓值，并且短路時間超過toff(SC)時，則發(fā)生短路保護，所有下橋臂IGBT的柵極驅(qū)動單元郜將被封鎖．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，會導致IGBT的Vce(sat)功耗增加，為了防止過熱而損壞元件，當檢測到控制電壓低于12．5 V時，發(fā)生欠壓保護，IGBT的柵極驅(qū)動單元都將被封鎖，并輸出故障信號。
(3)過溫保護(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，當溫度超過設定值(0T動作電平)時，IGBT封鎖門極驅(qū)動電路，并輸出故障信號。
(4)過流保護(OC) 有些六管封裝的C型IPM具有過流保護功能。當流過IGBT的電流超過過流值時，發(fā)生過流保護，IGBT封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。
當IPM發(fā)生UV、OT、OC、SC任一故障時，其故障輸出信號持續(xù)時間tOF為1．8 ms，在一般情況下SC持續(xù)時間會更長一些。此時間內(nèi)IPM會封鎖門極信號，關斷IPM。故障輸出信號結束后，IPM內(nèi)部自動復位，門極驅(qū)動通道開放。由此可見，器件自身產(chǎn)生的故障信號不能持續(xù)，若tOF結束后故障仍沒有排除，IPM就會重復自動保護過程，反復動作。這種情況對系統(tǒng)是極其不利的。因此，只靠IPM內(nèi)部自身的保護電路來實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運行是不夠的，還需要輔助的外圍保護電路。