IGBT-IPM智能模塊的電路設(shè)計(jì)及在SVG裝置中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：IGBT-IPM智能模塊；SVG；DSP

１　引言

電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關(guān)元件主要是晶閘管和ＧＴＯ。但是，隨著近年來雙極功率晶體管及功率ＭＯＳＦＥＴ的問世以及生產(chǎn)技術(shù)的成熟，這些開關(guān)元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和ＧＴＯ，并朝著節(jié)能、輕便、小型化的方向迅速發(fā)展。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ?Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）智能模塊正是其中的代表之一，它將ＩＧＢＴ單元、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個(gè)模塊之中，利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性?同時(shí)可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的難度?縮小裝置的體積。

圖1

２?。桑牵拢灾悄苣K的主要特點(diǎn)

與過去ＩＧＢＴ模塊和驅(qū)動(dòng)電路的組合電路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路且保護(hù)功能齊全，因而可極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)整機(jī)的可靠性。本文將要介紹的是富士電機(jī)最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特點(diǎn)和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)以外，還具有以下主要功能：

●內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路。該模塊同時(shí)具有軟開關(guān)特性，可控制ＩＧＢＴ開關(guān)時(shí)的ｄＶ／ｄｔ和浪涌電壓；用單電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，無需反向偏壓電源；并可防止誤導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí)，ＩＧＢＴ柵極低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而誤導(dǎo)通；模塊中的每個(gè)ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)電路都設(shè)計(jì)了最佳的驅(qū)動(dòng)條件。

●內(nèi)含各種保護(hù)電路。每個(gè)ＩＧＢＴ都具有過流保護(hù)（ＯＣ）、負(fù)載短路保護(hù)（ＳＣ）、控制電源欠壓保護(hù)（ＵＶ）和過熱保護(hù)（ＯＨ）等功能。

圖2

●內(nèi)含報(bào)警輸出功能。當(dāng)出現(xiàn)上述保護(hù)動(dòng)作時(shí)，可向控制ＩＰＭ的微機(jī)系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。

●包含有制動(dòng)電路。內(nèi)含制動(dòng)單元的ＩＰＭ模塊，用此單元可以抑制ＰＮ端子間的電壓升高。

圖１為該ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖中的前置驅(qū)動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)放大、短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓閉鎖、管心過熱保護(hù)等功能電路。圖中，各個(gè)引腳和端子的標(biāo)號(hào)列于表１。

表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標(biāo)號(hào)

３?。桑牵拢灾悄苣K電路設(shè)計(jì)

ＩＧＢＴ智能模塊的電路設(shè)計(jì)主要分為主電源部分、光耦外圍控制部分、緩沖電路部分及散熱部分。下面分別對(duì)這四部分的設(shè)計(jì)方法和需要注意的問題進(jìn)行說明。

３．１ 主電源電路

富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊有很多不同的系列，每一系列的主電源電壓范圍各有不同，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮其應(yīng)用場(chǎng)合的電壓范圍。６００Ｖ系列主電源電壓和制動(dòng)動(dòng)作電壓都應(yīng)該在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列則要在８００Ｖ以下。開關(guān)時(shí)的最大浪涌電壓：６００Ｖ系列應(yīng)在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列應(yīng)該在１０００Ｖ以下，根據(jù)上述各值的范圍，使用時(shí)應(yīng)使浪涌電壓限定在規(guī)定的值內(nèi)，且應(yīng)在最靠近Ｐ、Ｎ端子處安裝緩沖器（如果一個(gè)整流電路上接有多個(gè)ＩＧＢＴ模塊，還需要在Ｐ、Ｎ主端子間加浪涌吸收器）。雖然在模塊內(nèi)部已對(duì)外部的電壓噪聲采取了相應(yīng)的措施，但是由于噪聲的種類和強(qiáng)度不同，加之也不可能完全避免誤動(dòng)作或損壞等情況，因此需要對(duì)交流進(jìn)線加濾波器，并絕緣接地，同時(shí)應(yīng)在每相的輸入信號(hào)與地（ＧＮＤ）間并聯(lián)１０００ｐＦ的吸收電容。

３．２ 光耦外圍控制部分

與主電源電路不同，外圍控制電路主要針對(duì)的是單片機(jī)控制系統(tǒng)的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)連接，因此，必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開來，以保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，ＩＧＢＴ模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時(shí)的控制信號(hào)。所以，設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關(guān)鍵之一。根據(jù)ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)以及逆變電路的要求?１?，模塊內(nèi)部的ＩＧＢＴ控制電源必須是上橋臂３組，下橋臂１組，總計(jì)４組獨(dú)立的１５Ｖ直流電源。圖２是一種推薦的光耦驅(qū)動(dòng)電路。

圖２中給出了幾種典型光耦驅(qū)動(dòng)電路，其中三極管與光耦并聯(lián)型電路對(duì)光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規(guī)格要求：

●ＣＭＨ＝ＣＭＬ＞１５ｋＶ／μｓ或１０ｋＶ／μｓ

●ＴＰＨＬ＝ＴＰＬＨ＜０．８ｍｓ

●ＣＴＲ＞１５％

推薦的光耦有：

ＨＣＰＬ－４５０５，ＨＣＰＬ－４５０６

ＴＬＰ７５９（ＩＧＭ），ＴＬＰ７５５等。

一般情況下，光耦要符合ＵＬ、ＶＤＥ等安全認(rèn)證。同時(shí)最好使光耦和ＩＧＢＴ控制端子間的布線盡量短。由于初級(jí)和次級(jí)間常加有大的ｄｖ／ｄｔ，因此，初、次級(jí)布線不要太靠近以減小其間的耦合電容。在使用１５Ｖ的直流電源組件時(shí)，建議電源輸出側(cè)的ＧＮＤ端子不要互聯(lián)，并盡量減少各電源與地間的雜散電容，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)確保足夠大的絕緣距離（大于２ｍｍ）。光耦輸入用的１０μＦ及０．１μＦ濾波電容主要是保持控制電壓平穩(wěn)和修正線路阻抗的穩(wěn)定，其它地方的濾波電容也很必要。另外，控制信號(hào)輸入端與Ｖｃｃ端應(yīng)接２０ｋΩ的上拉電阻，在不使用制動(dòng)單元時(shí)，也應(yīng)該在ＤＢ輸入端與Ｖｃｃ端接２０ｋΩ的上拉電阻，否則，ｄｖ／ｄｔ過大可能會(huì)引起誤動(dòng)作。圖３為控制信號(hào)的輸入電路。其它三組上橋臂控制信號(hào)輸入電路與圖３相同，但３組１５Ｖ直流電源應(yīng)分別供電。而下橋臂的４組，則共用一個(gè)１５Ｖ直流電源。

３．３ 緩沖電路

緩沖電路（阻容吸收電路）主要用于抑制模塊內(nèi)部的ＩＧＢＴ單元的過電壓和ｄｖ／ｄｔ或者過電流和ｄｉ／ｄｔ，同時(shí)減?。桑牵拢缘拈_關(guān)損耗。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大，所以在ＩＧＢＴ模塊內(nèi)部并沒有專門集成該部分電路，因此，在實(shí)際的系統(tǒng)之中一定要有緩沖電路，通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量?jī)?chǔ)存起來，電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒有緩沖電路，器件在開通時(shí)電流會(huì)迅速上升，ｄｉ／ｄｔ也很大，關(guān)斷時(shí)，ｄｖ／ｄｔ很大，并會(huì)出現(xiàn)很高的過電壓，極易造成ＩＧＢＴ器件的損壞。因此，緩沖電路不僅在ＩＧＢＴ模塊中需要，在ＳＶＧ系統(tǒng)的整流電路中也同樣需要。圖４給出了一個(gè)典型的緩沖電路，有關(guān)阻值與電容大小的設(shè)計(jì)可根據(jù)具體系統(tǒng)來設(shè)定不同的參數(shù)。

４ ＩＧＢＴ智能模塊在ＳＶＧ裝置的應(yīng)用

靜止無功發(fā)生器ＳＶＧ[３][４][５]（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）是靈活交流輸電系統(tǒng)（ＦＡＣＴＳ―Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓ-ｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技術(shù)中的一個(gè)重要內(nèi)容，它的主要功能是在系統(tǒng)中起到動(dòng)態(tài)無功發(fā)生、無功補(bǔ)償、電壓支撐、改善系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。目前，改善電壓質(zhì)量的方法是用傳統(tǒng)的ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置來減小電壓波動(dòng)及電壓不對(duì)稱，而用機(jī)械投切電容器或電抗器消除電壓不平衡，用濾波器消除諧波。但是，這些措施的實(shí)現(xiàn)及控制都不太靈活，加之設(shè)備價(jià)格比較昂貴、維修困難，因而在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中效果并不是很好。ＦＡＣＴＳ技術(shù)中的ＳＶＧ裝置以其靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能克服了這些不足。ＳＶＧ裝置的核心部分是逆變電路，它將整流后的直流電壓進(jìn)行逆變以產(chǎn)生與系統(tǒng)相應(yīng)的交流電壓，從而產(chǎn)生所需的交流無功功率。利用ＩＧＢＴ智能模塊后，逆變電路無論是在體積、性能、穩(wěn)定性還是控制方式上都得到了極大地簡(jiǎn)化。

該系統(tǒng)共分為３個(gè)主要部分：第一部分是由ＩＧ-ＢＴ模塊構(gòu)成的逆變電路，第二部分是由電力二極管構(gòu)成的全波整流電路，第三部分是由微機(jī)構(gòu)成的檢測(cè)控制系統(tǒng)。整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊６ＲＩ１００Ｇ－１６０，該模塊的主要作用是將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵?，從而維持直流電容兩端的電壓穩(wěn)定，同時(shí)也為逆變電路提供一個(gè)直流電壓。

微機(jī)控制系統(tǒng)是由以ＡＤＭＣ４０１高速數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心的ＤＳＰ控制系統(tǒng)組成，它具有極高的處理速度和專門的６路ＰＷＭ波發(fā)生控制引腳，從圖５可以看出，ＤＳＰ控制系統(tǒng)除了完成向ＩＧＢＴ發(fā)出控制信號(hào)以外，還可完成三相電流和電壓的檢測(cè)、人機(jī)交換等功能。電流檢測(cè)可利用ＫＴ１００－Ｐ型電流傳感器來完成，電壓檢測(cè)則利用ＣＨＶ－５０Ｐ電壓傳感器來完成。鍵盤管理部分選用８２Ｃ７９接口芯片來管理１６鍵的鍵盤輸入。輸出顯示部分則選用以ＳＥＤ１５２０為驅(qū)動(dòng)芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶顯示模塊（ＬＣＤ）[３]。該模塊的顯示屏幕一次最多可顯示１４個(gè)１６１６ 的點(diǎn)陣漢字，圖中只畫出了相應(yīng)的方框圖。上述功能均可通過對(duì)ＡＤＭＣ４０１數(shù)字信號(hào)處理芯片的軟件編程來實(shí)現(xiàn)。其程序流程圖見圖６所示。

值得注意的是：本ＳＶＧ裝置中采用的是單橋路控制電路，所以只用到了一個(gè)ＩＧＢＴ智能模塊，它一共有６個(gè)控制點(diǎn)。如果采用多重化結(jié)構(gòu)并使用多個(gè)ＩＧＢＴ模塊相串聯(lián)或并聯(lián)工作，那么將會(huì)得到更多的控制點(diǎn)，當(dāng)然，輸出的波形、容量、電壓都將會(huì)更好。實(shí)際上，在ＳＶＧ系統(tǒng)中，除了ＩＧＢＴ逆變模塊以外，還有很多其它的重要組件，因此，要想讓ＳＶＧ系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ智能模塊正常、高效、安全地工作，還需要裝置其余各部件都協(xié)調(diào)運(yùn)作，才能夠達(dá)到預(yù)期的控制效果。

５　結(jié)論

ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，從電機(jī)的調(diào)速、驅(qū)動(dòng)裝置到不停電電源裝置、ＳＶＧ裝置等，可以說凡是涉及到大功率開關(guān)器件、電力變換等場(chǎng)合，只要容量允許，都可以應(yīng)用它。因此，了解和熟悉ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的接口電路，有利于加快裝置的開發(fā)研制進(jìn)程，提高實(shí)際應(yīng)用裝置的性能，這也就是本文介紹相關(guān)實(shí)用電路和注意事項(xiàng)的主旨?？傊?，用戶應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際需要來仔細(xì)、靈活的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。