基于IR2136智能功率模塊電路的設計

　當前，功率電路的模塊化和系統(tǒng)集成技術已成為電力電子技術領域最重要的研究方向之一[1]。智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)即是系統(tǒng)集成模塊思想的體現(xiàn)之一[2]。IPM模塊是指專用于驅(qū)動和控制各種工業(yè)與民用、單相與三相電機的新型智能功率模塊，又稱為電機“逆變電源”。IPM將輸出功率元件和驅(qū)動電路、多種保護電路集成在同一模塊內(nèi)，提高了系統(tǒng)整體性能及可靠性、降低了通態(tài)和開關損耗、縮小了體積并減少了系統(tǒng)成本。與傳統(tǒng)的分立元件相比，IPM模塊具有結(jié)構緊湊、體積小、功能完整和易于大批量生產(chǎn)的特點。由于馬達是現(xiàn)代各種自動控制系統(tǒng)的動力源，可以應用于變頻空調(diào)、變頻洗衣機、變頻冰箱等家用電器和變頻器、工業(yè)電機等的變頻調(diào)速中。因此，IPM模塊的市場非常廣泛。
　本文在此背景下設計了一種基于IR2136[3]的IPM電路，并用PSpice軟件對所設計電路進行了仿真驗證。
1 IPM電路的組成及主電路設計
　IPM電路組成如圖1所示，主要由功率電路(整流電路和逆變電路)和驅(qū)動電路組成。

1.1 IPM驅(qū)動電路的設計
　驅(qū)動電路主要由IR公司的三相逆變器驅(qū)動器集成芯片IR2136組成。IR2136集成了6個MOSFET或IGBT高電壓柵極驅(qū)動器，并融合了多元化的保護功能，使系統(tǒng)成本比采用光耦解決方案降低了30%，是專為2 kW或以下的(110 V~360 V)輸入逆變器設計的，適用于交流感應、無刷直流或開關磁阻電機驅(qū)動。
　圖1中的D7、D8、D9和C1、C2、C3是自舉元件[3-5]，其所組成的自舉電路用來可靠地驅(qū)動高壓側(cè)IGBT柵極器件。如圖1所示，Vbs(IR2136 Vb和Vs管腳之間的電壓差)給集成電路高端驅(qū)動電路提供電源。該電源電壓必須在10～20 V之間，以確保驅(qū)動集成電路能夠完全地驅(qū)動IGBT柵極器件。IR2136驅(qū)動集成電路具有Vbs欠壓保護，當Vbs電壓下降到一定值(典型值是8.2 V)時，將關閉高端驅(qū)動輸出，這保證了IGBT不會在高功耗下工作。Vbs電源是懸浮電源，附加在Vs電壓上(Vs通常是一個高頻的方波)。這種自舉技術的好處是簡單、低廉。電路的工作原理如下：當Vs被拉到地時(通過下端器件或負載)，15 V的Vcc電源通過自舉二極管(D)給自舉電容(C)充電，也即給Vbs提供一個電源。
　(1)自舉電容參數(shù)的確定
　自舉電容應該提供的最小電荷如下：

1.2 IPM的功率主電路設計
　IPM功率電路[8]由二極管整流電路和IGBT三相逆變電路組成。整流二極管電壓額定值URRM、電流額定值IVDM及IGBT額定電壓UCEP、額定電流IC分別計算如下：

式中，UAC為220 V輸入交流電壓，KV為電壓波動系數(shù)，αV為安全系數(shù)，?駐UCE為線路雜散電感引起的尖峰電壓，αP為過電壓保護系數(shù)，αU為過電壓安全系數(shù)，IO為逆變器輸出電流，P為逆變器最大輸出功率。
按照上述設計原理，設計了1 500 W的IPM電路。交流輸入電壓為220 V，整流電路為單相橋式。電路的主要元器件參數(shù)如下：自舉電容為1 μF/25 V鉭電容，自舉二極管為快恢復MUR160，逆變橋IGBT開關管為IRG4IBC30KD，整流二極管為800 V/5 A的整流二極管。
2 仿真實驗
　應用PSpice軟件對所設計電路進行了仿真：瞬態(tài)分析、步長5 μs、終止時間為80 μs、觸發(fā)脈沖寬度20 μs、脈沖周期40 μs。圖2是其仿真結(jié)果波形。
　通過對仿真模型中IR2136觸發(fā)脈沖進行參數(shù)調(diào)整，得到的仿真結(jié)果如圖2(a)、(b)、(c)所示。當輸入觸發(fā)脈沖幅值為3 V和5 V、輸入脈沖為低電平時，輸出端才有驅(qū)動信號輸出，且輸出的上開關管驅(qū)動波形幅值約為14.7 V。如果觸發(fā)脈沖太低，因輸出驅(qū)動波形性為高電壓(約14.7 V)，對開關管起不到控制作用。

　圖2(d)是單脈沖調(diào)制時，逆變橋電路的一個橋臂上下開關管驅(qū)動波形及橋臂輸出波形。從圖中可以看出，上下橋臂的驅(qū)動是交互進行的，單脈沖調(diào)制時，一個橋臂的輸出電壓幅值就是整流器的輸出直流電壓(對本設計來說，是單相全橋整流電路，直流電壓值為310 V左右)，而柵極驅(qū)動電壓是最高電壓，要比橋臂輸出電壓高15 V左右。
　當改變直流電壓源模型參數(shù)值時，仿真結(jié)果如圖2(e)、(f)所示。由圖可知，當欠壓鎖定的門限值為9.3 V，將圖2(f)與圖2(a)比較，可以看出，雖然9.3 V的直流電源能讓驅(qū)動芯片工作，但輸出驅(qū)動波形幅值已降至10 V以下，已不能可靠地驅(qū)動IGBT開關管。
　圖2(g)為使能端工作及過流時的輸出驅(qū)動波形仿真結(jié)果。當過流時，即過流檢測端ITRIP的電壓高于0.5 V時，經(jīng)過內(nèi)部傳輸電路的延時，可靠地關斷輸出波形，保護IGBT免遭損壞，經(jīng)過外部RC網(wǎng)絡10 μs的傳輸延遲(本電路設計的延時為10 μs，應用中可根據(jù)實際情況通過改變R10、C5的值來改變延時時間)，過流故障自動清除。同時從圖2(g)中可以看出，使能端低電平時，輸出驅(qū)動波形被封鎖。
　而當觸發(fā)脈沖序列發(fā)生錯誤導致橋臂直通時，IR2136芯片內(nèi)部防直通電路起作用，使上下開關管的柵極驅(qū)動信號全為低電平。圖2(h)為直通時的輸出驅(qū)動波形，由圖可知，在30～40 μs和70～80 μs時間段，同一橋臂的上下觸發(fā)脈沖同時低電平有效，輸出驅(qū)動信號全為低電平，防止了直通的發(fā)生。
　本文將系統(tǒng)集成思想應用于IGBT逆變電路，設計了一種基于IR2136為驅(qū)動電路的IPM電路。該電路集成了輸入欠壓、防直通、過流等保護功能。另外，應用自舉技術，實現(xiàn)了全橋驅(qū)動電路的單電源供電，不但結(jié)構簡單，還體現(xiàn)了系統(tǒng)集成思想。同時用PSpice軟件對設計電路進行了仿真，其結(jié)果與理論吻合，驗證了本文設計的正確性。
參考文獻
[1] LEE F C， WYK J D， BOROYEVICH D， et al. Technology trends toward a system-in-a-module in power electronics[J]. Circuits and Systems Magazine， IEEE，2002， 2(4)：4-22.
[2] IWAMOTO H， MOTTO E， ACHHAMMER J， et al. New intelligent power modules for appliance motor control. APEC 2001， Sixteenth Annual IEEE， 2001(2)：1051-1056.
[3] WOOD P， BATTELLO M， KESKAR N， et al. Plug N driveTM application overview. International Rectifier Application Note AN-1044.
[4] AFTANDILIAN L， MANGTANI V， DUBHASHI A. Advances in power semiconductors and packaging lead to a compact integrated power stage for AC drives[C]. WESCON/97 Conference Proceedings， 4-6 Nov.， 1997：334-339.
[5] Tang Yiliang， Cui Wenjin， Xie Xiaorong， et al. 80C196MC Microcontroller-based inverter motor control and IR2130 six-output IGBT driver[C]. International Conference IEMD ′99，1999： 655-657.