摘要：智能功率模塊IPM在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在此詳細(xì)描述了IPM的結(jié)構(gòu)和外型，著重闡明了IPM中的自我保護(hù)機(jī)制，以便于蝙程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，結(jié)合在研項(xiàng)目“電力機(jī)車模塊化分布式大功率開關(guān)直流穩(wěn)壓電源”的設(shè)計(jì)與開發(fā)，分析了IPM作為大功率高頻逆變器應(yīng)用時(shí)的相關(guān)注意事項(xiàng)，給出了具體設(shè)計(jì)的電路圖和選型資料。通過(guò)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)靈敏度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：IPM；保護(hù)機(jī)制；IGBT；逆變器

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心。以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的功率器件，在眾多工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。IGBT作為一種典型的雙極性MOS復(fù)合型功率器件，集MOSFET與GTR(大功率晶體管)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的長(zhǎng)處，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)。IPM(intelligent power
module)作為一種智能功率模塊，它以IGBT為基礎(chǔ)，內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上均有很大的提高，同時(shí)由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個(gè)系統(tǒng)的體積減小了很多，適應(yīng)了功率器件的發(fā)展方向，從而應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。

1 IPM的基本結(jié)構(gòu)
1．1 IPM結(jié)構(gòu)形式
    IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和優(yōu)先的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，如圖1所示。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同，IPM分為H型、D型、C型和R型4種。圖中，H型內(nèi)部封裝1個(gè)IGBT，D型內(nèi)部封裝2個(gè)IGBT，C型內(nèi)部封裝6個(gè)IGBT，R型內(nèi)部封裝7個(gè)IGBT。


1．2 IPM的內(nèi)部機(jī)制
    IPM內(nèi)部設(shè)有柵極驅(qū)動(dòng)控制電路、故障檢測(cè)電路和各種保護(hù)電路，采用帶有電流傳感器的IGBT芯片，用以監(jiān)測(cè)IGBT的主電流。而內(nèi)部故障保護(hù)電路主要用以檢測(cè)過(guò)流、過(guò)熱和欠壓等故障。圖2為IPM功能框圖。

[!--empirenews.page--]

2 IPM保護(hù)功能
    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)的開發(fā)周期，也提高了系統(tǒng)在故障情況下的自我保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護(hù)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(hù)功能包括控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中的一種保護(hù)電路產(chǎn)生動(dòng)作，其內(nèi)部的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)。
    (1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12．5 V，且時(shí)間超過(guò)toff=10 ms，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)Fo。如圖3所示。


    (2)過(guò)熱保護(hù)(0T)：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(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)熱保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)Fo。
    (3)過(guò)流保護(hù)(0C)：若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)toff，則發(fā)生過(guò)流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)Fo。為避免發(fā)生過(guò)大的電流變化率di／dt，大多數(shù)的IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。如圖4所示。


    (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(guò)IGBT的電流值超過(guò)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(guò)流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的電流變化率di／dt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作問(wèn)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100 ns，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中任一種故障時(shí)，IPM將立即輸出故障信號(hào)Fo，該故障信號(hào)持續(xù)時(shí)間tFo為1．8 ms(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。當(dāng)故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部會(huì)自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道重新開放。
    IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果在tFo結(jié)束后故障源仍然沒(méi)有被排除，則IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過(guò)程，反復(fù)動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)時(shí)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)。為了使系統(tǒng)真正安全、可靠地運(yùn)行，通常需要設(shè)計(jì)輔助的外圍保護(hù)電路。同時(shí)，IPM對(duì)欠壓、過(guò)流、短路和過(guò)熱等故障發(fā)生時(shí)，均輸出同一個(gè)故障信號(hào)Fo因而主控系統(tǒng)無(wú)法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進(jìn)一步的故障診斷技術(shù)。

3 IPM在電力機(jī)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(jī)車中的110 V穩(wěn)壓電源是為機(jī)車上的各種控制器件以及儀表照明和信號(hào)顯示屏等相關(guān)設(shè)備提供動(dòng)力，因而對(duì)整個(gè)電力機(jī)車來(lái)講至關(guān)重要。電力機(jī)車110 V穩(wěn)壓電源的輸出功率大，對(duì)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(gè)逆變模塊，通過(guò)負(fù)荷分擔(dān)的方式來(lái)組成大功率系統(tǒng)。同時(shí)，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(lái)產(chǎn)生逆變器的控制信號(hào)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可控制性。
    IPM在應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)注意型號(hào)的選擇，不同型號(hào)的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過(guò)高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時(shí)必須合理地預(yù)留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時(shí)，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(shí)要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問(wèn)應(yīng)涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅(qū)動(dòng)電路中地線噪聲的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意將驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開關(guān)同時(shí)打開，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意采用死區(qū)控制方式。[!--empirenews.page--]
    筆者在“電力機(jī)車模塊化分布式110 V直流穩(wěn)壓電源”項(xiàng)目中選用了日本東芝的IPM模塊PM75CSA120作為逆變器主元件。M75CSAl20與主控制電路板采用光電耦合器件進(jìn)行隔離，在光電耦合器件的選型上，根據(jù)PM75CSAl20驅(qū)動(dòng)的要求，對(duì)橋臂的驅(qū)動(dòng)選用HCPL4504高速光電耦合器件，而在故障反饋回路，選用低速光電耦合器件PC817，這兩種光電耦合器件都具有很好的共模抑制特性，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。其電路如圖5所示。


    IPM逆變器控制信號(hào)由DSP控制單元產(chǎn)生，DSP選用了TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理芯片。功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入(即IPM的控制信號(hào))由
TMS320F2812內(nèi)含的全比較單元相對(duì)應(yīng)的PWM0～PWM3產(chǎn)生。
    TMS320F2812的事件管理器模塊包含了兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳(PDPINTx，x=A或B)，當(dāng)IPM過(guò)壓、過(guò)流、短路及溫度的急劇上升時(shí)，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)。因此功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳可用來(lái)監(jiān)測(cè)直流電源的異常情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
    在實(shí)際的電源調(diào)試過(guò)程中，盡管輸出的電流達(dá)到了20 A，但I(xiàn)PM工作仍然十分穩(wěn)定，通過(guò)人為設(shè)置故障，IPM保護(hù)電路反應(yīng)迅速，同時(shí)有效輸出故障信號(hào)，從保護(hù)了功率器件，提高了電源的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)
    IPM作為一種智能功率器件，以其損耗小，開關(guān)速度快，耐壓等級(jí)高，體積小，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。IPM在大功率逆變電源的應(yīng)用中，減小了電源的體積和重量，提高了轉(zhuǎn)換效率，保證了電源的穩(wěn)定可靠性能。