IPM在電力機車大功率開關(guān)電源中的應(yīng)用研究
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
2 IPM保護功能
IPM內(nèi)置的驅(qū)動和保護電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，也提高了系統(tǒng)在故障情況下的自我保護能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護電路，因而IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保護功能包括控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果IPM模塊中的一種保護電路產(chǎn)生動作，其內(nèi)部的IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個故障信號(Fo)。
(1)控制電壓欠壓保護(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12．5 V，且時間超過toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。如圖3所示。
(2)過熱保護(0T)：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)生過熱保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。
(3)過流保護(0C)：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(qū)動電路，輸出故障信號Fo。為避免發(fā)生過大的電流變化率di／dt，大多數(shù)的IPM采用兩級關(guān)斷模式。如圖4所示。
(4)短路保護(SC)：若負載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)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(qū)動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發(fā)生過大的電流變化率di／dt，大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作問的響應(yīng)時間，IPM內(nèi)部使用實時電流控制電路(RTC)，使響應(yīng)時間小于100 ns，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中任一種故障時，IPM將立即輸出故障信號Fo，該故障信號持續(xù)時間tFo為1．8 ms(SC持續(xù)時間會長一些)，此時間內(nèi)IPM會封鎖門極驅(qū)動，關(guān)斷IPM。當故障輸出信號持續(xù)時間結(jié)束后，IPM內(nèi)部會自動復(fù)位，門極驅(qū)動通道重新開放。
IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果在tFo結(jié)束后故障源仍然沒有被排除，則IPM就會重復(fù)自動保護的過程，反復(fù)動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，設(shè)計時應(yīng)避免其反復(fù)動作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護。為了使系統(tǒng)真正安全、可靠地運行，通常需要設(shè)計輔助的外圍保護電路。同時，IPM對欠壓、過流、短路和過熱等故障發(fā)生時，均輸出同一個故障信號Fo因而主控系統(tǒng)無法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進一步的故障診斷技術(shù)。
3 IPM在電力機車模塊化分布式大功率開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用
電力機車中的110 V穩(wěn)壓電源是為機車上的各種控制器件以及儀表照明和信號顯示屏等相關(guān)設(shè)備提供動力，因而對整個電力機車來講至關(guān)重要。電力機車110 V穩(wěn)壓電源的輸出功率大，對穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。為了滿足系統(tǒng)要求，采用了分布式結(jié)構(gòu)，利用多個逆變模塊，通過負荷分擔的方式來組成大功率系統(tǒng)。同時，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來產(chǎn)生逆變器的控制信號，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可控制性。
IPM在應(yīng)用時首先應(yīng)注意型號的選擇，不同型號的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時必須合理地預(yù)留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問應(yīng)涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅(qū)動電路中地線噪聲的影響，設(shè)計時應(yīng)注意將驅(qū)動電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開關(guān)同時打開，設(shè)計時應(yīng)注意采用死區(qū)控制方式。
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