IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的研究

摘要：介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，并給出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。 關(guān)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Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ的縮寫，是一種先進(jìn)的功率開關(guān)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(diǎn)，以及ＭＯＳＦＥＴ（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且ＩＰＭ內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，使用起來方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路（ＰＩＣ），在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)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(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。１ ＩＰＭ的基本工作特性 １．１ ＩＰＭ的結(jié)構(gòu) ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復(fù)合，由ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動(dòng)ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。 ＩＰＭ根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類：Ｈ型（內(nèi)部封裝一個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｄ型（內(nèi)部封裝兩個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｃ型（內(nèi)部封裝六個(gè)ＩＧＢＴ）和Ｒ型（內(nèi)部封裝七個(gè)ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷絕緣。 １．２ ＩＰＭ內(nèi)部功能機(jī)制 ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計(jì)。 ＩＰＭ內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的ＩＧＢＴ模塊相比，ＩＰＭ在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果ＩＰＭ模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，ＩＧＢＴ柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（ＦＯ）。各種保護(hù)功能具體如下： （１）控制電壓欠壓保護(hù)（ＵＶ）：ＩＰＭ使用單一的＋１５Ｖ供電，若供電電壓低于１２．５Ｖ,且時(shí)間超過ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。 （２）過溫保護(hù)（ＯＴ）：在靠近ＩＧＢＴ芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)ＩＰＭ溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過溫度值時(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。 （３）過流保護(hù)(ＯＣ)：若流過ＩＧＢＴ的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過ｔｏｆｆ，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)ＩＰＭ采用兩級(jí)關(guān)斷模式，過流保護(hù)和短路保護(hù)操作可參見圖３。其中，ＶＧ為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)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。（４）短路保護(hù)(ＳＣ)：若負(fù)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(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。跟過流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)ＩＰＭ采用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，ＩＰＭ內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路（ＲＴＣ）,使響應(yīng)時(shí)間小于１００ｎｓ，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。 當(dāng)ＩＰＭ發(fā)生ＵＶ、ＯＣ、ＯＴ、ＳＣ中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間ｔＦＯ為１．８ｍｓ（ＳＣ持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些），此時(shí)間內(nèi)ＩＰＭ會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷ＩＰＭ；故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，ＩＰＭ內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放。 可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果ｔＦＯ結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，ＩＰＭ就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠ＩＰＭ內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。 ２ ＩＰＭ驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路是ＩＰＭ主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。２．１ ＩＧＢＴ的分立驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題亦即ＭＯＳＦＥＴ的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①ＩＧＢＴ柵極耐壓一般在%26;#177;２０Ｖ左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù)，通常的做法是在柵極并聯(lián)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(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅(qū)動(dòng)電流，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍。圖４為ＩＧＢＴ柵極保護(hù)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(qū)動(dòng)功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在輸入電容Ｃｉｎ，開關(guān)過程中需要對(duì)電容充放電，因此驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流應(yīng)足夠大，這一點(diǎn)設(shè)計(jì)者往往忽略。假定開通驅(qū)動(dòng)時(shí)，在上升時(shí)間ｔｒ內(nèi)線性地對(duì)ＭＯＳＦＥＴ輸入電容Ｃｉｎ充電，則驅(qū)動(dòng)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(guān)閉ＩＧＢＴ, 防止擎住現(xiàn)象, 要給柵極加一負(fù)偏壓，因此最好采用雙電源供電。 ２．２ ＩＧＢＴ集成式驅(qū)動(dòng)電路 ＩＧＢＴ的分立式驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保護(hù)功能比較完善的分立電路就更加復(fù)雜，可靠性和性能都比較差，因此實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動(dòng)電路。日本富士公司的ＥＸＢ系列集成電路、法國(guó)湯姆森公司的ＵＡ４００２集成電路等應(yīng)用都很廣泛。 ２．３ ＩＰＭ驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 現(xiàn)以ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例進(jìn)行介紹。ＰＭ１００ＤＳＡ１２０是一種Ｄ型的ＩＰＭ，內(nèi)部封裝了兩個(gè)ＩＧＢＴ，工作在１２００Ｖ／１００Ａ以下，功率器件的開關(guān)頻率最大為２０ｋＨｚ。由于ＩＰＭ內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)電路，與ＩＧＢＴ驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比，外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便，只要能提供１５Ｖ直流電壓即可。 但是ＩＰＭ對(duì)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格?熏具體為：①驅(qū)動(dòng)電壓范圍為１５Ｖ%26;#177;１０％?熏電壓低于１３．５Ｖ將發(fā)生欠壓保護(hù)，電壓高于１６．５Ｖ將可能損壞內(nèi)部部件。②驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離，以避免地線噪聲干擾。③驅(qū)動(dòng)電源絕緣電壓至少是ＩＰＭ極間反向耐壓值的兩倍（２Ｖｃｅｓ）。④驅(qū)動(dòng)電流可以參閱器件給出的２０ｋＨｚ驅(qū)動(dòng)電流要求，根據(jù)實(shí)際的開關(guān)頻率加以修正。⑤驅(qū)動(dòng)電路輸出端濾波電容不能太大，這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過１００ｐＦ時(shí)，噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路。 這里介紹一種可獲得高質(zhì)量１５Ｖ電源的方案。該方案驅(qū)動(dòng)電路不僅結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單，而且抗干擾能力強(qiáng)，典型電路如圖５所示。圖5 IPM驅(qū)動(dòng)電路和外圍隔離電路圖中各器件的類型和參數(shù)已經(jīng)標(biāo)出，其中，Ｍ５７１４０－０１和Ｍ５７１２０Ｌ是三菱公司為其ＩＰＭ系列產(chǎn)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(hào)Ｃｉｎ和故障輸出信號(hào)ＦＯ通過光耦傳輸。 在應(yīng)用要求不高的場(chǎng)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(shí)踐應(yīng)用中證明了這一點(diǎn)。 ３ ＩＰＭ保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 完善的系統(tǒng)保護(hù)不能只依靠ＩＰＭ的內(nèi)部保護(hù)機(jī)制，需要輔助外圍的保護(hù)電路，這可以通過硬件的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過軟件的方式實(shí)現(xiàn)。 ３.１ ＩＰＭ保護(hù)電路的硬件實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)方式很多，列舉兩個(gè)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(hào)經(jīng)過７４ＨＣ２４５的輸入、７４ＨＣ２４５的輸出后送至ＩＰＭ接口電路；各個(gè)ＩＰＭ的故障輸出信號(hào)經(jīng)光耦隔離輸出后得到高電平ＦＯ，送入或門，或門輸出經(jīng)過Ｒ－Ｃ低通濾波器后，送入７４ＨＣ２４５的使能端ＯＥ。ＩＰＭ正常工作時(shí)，或門輸出為低電平，７４ＨＣ２４５選通；ＩＰＭ故障報(bào)警時(shí)，或門輸出為高電平，７４ＨＣ２４５所有輸出置為高阻，封鎖各個(gè)ＩＰＭ的控制信號(hào)，關(guān)斷ＩＰＭ，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。方案二 ＰＷＭ接口電路前置一級(jí)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(jīng)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(bào)警時(shí)封鎖ＩＰＭ的控制信號(hào)通道，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)功能。 需要注意的是，為縮短故障響應(yīng)時(shí)間，Ｒ－Ｃ低通濾波器時(shí)間常數(shù)應(yīng)該小。兩級(jí)光耦延長(zhǎng)了響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)選用高速光耦。 以上兩種方案都是利用ＩＰＭ故障輸出信號(hào)封鎖ＩＰＭ的控制信號(hào)通道，因而彌補(bǔ)了ＩＰＭ自身保護(hù)的不足，有效地保護(hù)了器件。 ３.２ ＩＰＭ保護(hù)電路的軟件實(shí)現(xiàn) 軟件的基本思路是：ＩＰＭ故障報(bào)警時(shí)，故障輸出信號(hào)送到控制器處理，處理器確認(rèn)后，利用軟件關(guān)斷ＩＰＭ的控制信號(hào)，從而達(dá)到保護(hù)目的。 綜上所述，軟件保護(hù)不需增加硬件，簡(jiǎn)便易行，但可能受到軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)故障的影響；硬件保護(hù)則反應(yīng)迅速，工作可靠。實(shí)踐應(yīng)用中軟件與硬件結(jié)合的保護(hù)方式能更好地提高系統(tǒng)的可靠性。４ ＩＰＭ的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)實(shí)例 筆者在ＤＳＰ控制開關(guān)磁阻電機(jī)的項(xiàng)目中，選用ＩＰＭ作為功率變換器的主開關(guān)器件，控制器采用了德州公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 數(shù)字信號(hào)處理器，功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入（即ＩＰＭ的控制信號(hào)）由ＴＭＳ３２０Ｆ２４０內(nèi)含的全比較單元相對(duì)應(yīng)的ＰＷＭ１～ＰＷＭ４產(chǎn)生。 ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的事件管理器模塊包含一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳（ＰＤＰＩＮＴ），當(dāng)該引腳被拉低時(shí)，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，因此ＰＤＰＩＮＴ可用來為監(jiān)控程序提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)的異常情況，并實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖４所示。保護(hù)電路選用軟件保護(hù)，四個(gè)功率器件ＩＰＭ的故障信號(hào)經(jīng)過光耦隔離，送至或非門ＣＤ４０７８，其輸出經(jīng)過低通阻容濾波器連接到ＤＳＰ的ＰＤＰＩＮＴ引腳。當(dāng)ＩＰＭ故障報(bào)警時(shí)，ＰＤＰＩＮＴ引腳被拉為低電平，ＤＳＰ內(nèi)部定時(shí)器立即停止工作，所有ＰＷＭ輸出呈高阻態(tài)，封鎖ＩＰＭ控制信號(hào)；同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知ＤＳＰ有故障情況發(fā)生，在中斷服務(wù)程序中判斷發(fā)生何種故障，并顯示故障代碼。 圖７為負(fù)載電流為８Ａ、ＳＲＭ額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)ＩＰＭ的１５Ｖ驅(qū)動(dòng)電壓波形。 實(shí)際運(yùn)行效果顯示，ＩＰＭ供電電源穩(wěn)定，ＩＰＭ運(yùn)行良好，保護(hù)電路可以可靠地保護(hù)功率器件。 ＩＰＭ正常工作對(duì)電源的要求相當(dāng)高，文中介紹的驅(qū)動(dòng)電路可以很好地滿足ＩＰＭ的工作要求；ＩＰＭ自身的保護(hù)電路不具有保持性，完善的系統(tǒng)保護(hù)必須輔助外圍保護(hù)電路；利用ＩＰＭ自身的故障輸出信號(hào)封鎖ＩＰＭ的控制信號(hào)輸入可以方便、有效地保護(hù)器件。