摘要：目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機(jī)電一體化設(shè)備中弱電與強(qiáng)電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點(diǎn)、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能功率器件；功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器；功率模塊；變頻器

Principle and Application of Intelligent Power Device 

SHA Zhan-you, WANG Shu-hai, AN Sheng-biao, ZHANG Xiu-qing 

Abstract:Now,the power device is developing toward integration, intelligent and modularization. In mechanism-electricity equipment, intelligent power device support an ideal interface to connect weak and power electricity. The characteristic, product classification, operational principle and typical application of the intelligent power device are introduced. 

Keywords:Intelligent power device; Power switching regulator; Power module; Transducer

 中圖分類號(hào)：TN492    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A    文章編號(hào)：0219－2713(2003)04－0129－04

1  智能功率器件的特點(diǎn)及產(chǎn)品分類

1.1  智能功率器件的特點(diǎn)

    所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測(cè)和控制電路、保護(hù)電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件。由于這類器件可代替人工來(lái)完成復(fù)雜的功率控制，因此它被賦予智能的特征。例如，在智能功率器件中，常見(jiàn)的保護(hù)功能有欠電壓保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流及短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)。此外，某些智能功率器件還具有輸出電壓過(guò)沖保護(hù)、瞬態(tài)電流限制、軟啟動(dòng)和最大輸入功率限制等保護(hù)電路，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

    智能功率器件具有體積小、重量輕、性能好、抗騷擾能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、電力電子設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。

1.2  智能功率器件的產(chǎn)品分類

    智能功率器件可分成兩大類，即智能功率集成電路與智能功率模塊。

    1）智能功率集成電路

    智能功率集成電路的種類很多，下面僅列出幾種典型產(chǎn)品。

    ——高壓功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器（High Voltage Power Switching Regulator）。例如，美國(guó)摩托羅拉公司研制的MC33370系列產(chǎn)品。

    ——智能功率開(kāi)關(guān)（IntelligentP ower Switch）。例如，德國(guó)西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的Smart SIPMOS智能功率開(kāi)關(guān)，產(chǎn)品型號(hào)有BTS412B、BTS611等。

    2）智能功率模塊

    智能功率模塊是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實(shí)現(xiàn)智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結(jié)構(gòu)，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能。用戶只須了解模塊的外特性，即可使用。因此，它能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，縮短系統(tǒng)的研制周期。國(guó)內(nèi)外許多著名的模塊廠商的產(chǎn)品都通過(guò)了IEC950（國(guó)際電工委員會(huì)）或UL1950（美國(guó)）、GS（德國(guó)）、CE（歐共體）安全認(rèn)證，其質(zhì)量可靠、安全性好、抗騷擾性強(qiáng)、符合電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)、便于維修，上機(jī)合格率可達(dá)100％。

    例如，日本三菱電機(jī)公司最近開(kāi)發(fā)的IPM系列第三代智能功率模塊，其用途極為廣泛。最近，國(guó)內(nèi)也相繼開(kāi)發(fā)出變頻空調(diào)器專用智能功率模塊、電動(dòng)機(jī)智能功率模塊等新產(chǎn)品。

    圖1給出了各種功率器件的工作頻率、容量的范圍 及 其 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 其 中 ， SCR為 普 通 晶 閘 管 ， Triac為 雙 向 晶 閘 管 ， GTO代 表 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 ， Tr Mod表 示 普 通 功 率 管 模 塊 ， MOSFET表 示 功 率 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 ， IGBT MOD IPM代 表 IPM系 列 的 IGBT智 能 功 率 模 塊 ， 其 中 的 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor） 為 絕 緣 柵 型 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 － 雙 極 型 晶 體 管 的 英 文 縮 寫 。 由 圖 可 見(jiàn) ， IGBT智 能 功 率 模 塊 的 工 作 頻 率 遠(yuǎn) 高 于 普 通 功 率 管 模 塊 ， 而 其 容 量 又 比 功 率 場(chǎng) 效 應(yīng) 管 提 高 1～ 2個(gè) 數(shù) 量 級(jí) 。

圖1  各種功率器件的性能及應(yīng)用領(lǐng)域

2  智能功率集成電路的原理與應(yīng)用

2.1  MC33370系列高壓功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器

  MC33370系列是美國(guó)Motorola公司于1999年研制的適配微控制器（MCU）的高壓功率開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器，它包括MC33369～MC33374，根據(jù)封裝形式的不同，共有17種型號(hào)?？蓮V泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無(wú)線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成150W以下的高壓隔離式AC/DC電源變換器。

    MC33370系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖2中虛線方框所示。各引腳的功能如下：

圖 2  MC33370系 列 產(chǎn) 品 的 內(nèi) 部 框 圖  [!--empirenews.page--]

    UCC為工作電源電壓的輸入端。 

    FB為反饋端。

    GND為地。

    SCI為狀態(tài)控制端，只需配少量外圍元件，即可實(shí)現(xiàn)以下6種狀態(tài)控制方式：

    1）利用按鍵觸發(fā)方式來(lái)選擇工作模式或備用模式；

    2）配微控制器進(jìn)行關(guān)斷操作；

    3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護(hù)電路，使之在模式轉(zhuǎn)換過(guò)程中不會(huì)引起開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；

    4）利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制；

    5）接上電延時(shí)電路；

    6）禁止對(duì)狀態(tài)控制器進(jìn)行操作。

    D為功率開(kāi)關(guān)管漏極引出端。

    MC33370的內(nèi)部主要包括9部分：

    1）振蕩器；

    2）并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；

    3）脈寬調(diào)制比較器與脈寬調(diào)制觸發(fā)器；

    4）外部關(guān)斷電路及關(guān)斷觸發(fā)器；

    5）電流極限比較器及功率開(kāi)關(guān)管；

    6）啟動(dòng)電路；

    7）欠壓鎖定電路；

    8）過(guò)熱保護(hù)電路；

    9）狀態(tài)控制器。

    由MC33374T／TV構(gòu)成的15V／3.5A、52W開(kāi)關(guān)電源的電路如圖3所示。其交流輸入電壓u的允許變化范圍是92V～276V。VD1～VD4為整流橋。初級(jí)保護(hù)電路由RC吸收電路（R2、C2）和鉗位保護(hù)電路（VDZ、VD5）構(gòu)成，能有效抑制高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖 峰 電 壓 ， 保 護(hù)MC33374內(nèi) 部 的 功 率 開(kāi) 關(guān) 管 不 受 損 壞 。VDZ采 用 P6KE200A型 瞬 態(tài) 電 壓 抑 制 器 （ TVS） ， 圖 中 阻 容 元 件R1、C3的 序 號(hào) 空 缺 ， 根 據(jù) 需 要 亦 可 將R2、C2的 串 聯(lián) 電 路 ， 改 成 由R1(20 kΩ 、 2 W)和C3（ 0.1 μ F、 400 V） 并 聯(lián) 后 再 串 以 超 快 恢 復(fù) 二 極 管 ， 組 成R、C、VD型 保 護(hù) 電 路 。C5為UCC端 的 旁 路 電 容 。 SB為 控 制 開(kāi) 關(guān) 電 源 通 、 斷 狀 態(tài) 的 按 鍵 。VD6與C6組 成 反 饋 繞 組 輸 出 端 的 高 頻 整 流 濾 波 器 。 次 級(jí) 高 頻 整 流 管 采 用 MBR20100CT（ 20 A／ 100 V） 型 肖 特 基 二 極 管 。 此 管 屬 于 共 陰 對(duì) 管 ， 兩 個(gè) 陰 極 在 內(nèi) 部 短 接 ， 使 用 時(shí) 需 將 兩 個(gè) 陽(yáng) 極 在 外 部 連 通 ， 作 并 聯(lián) 接 法 。 由C8、C11、L、C12和C13組 成 輸 出 濾 波 電 路 。 設(shè) 計(jì) 印 制 板 時(shí) 還 可 預(yù) 先 留 出C9、C10的 位 置 ， 以 便 由C8～C11這 4只 電 容 并 聯(lián) 成 濾 波 電 容 ， 進(jìn) 而 使L0減 小 到L0/4。

圖3  由MC33374T/TV構(gòu)成52W開(kāi)關(guān)電源的電路

    由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431B構(gòu)成外部誤差放大器，它還與光耦合器MOC8103組成了光耦反饋電路。其穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)R5、R6分壓后得到的取樣電壓就與TL431B中的2.5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生外部誤差電壓Ur′，再通過(guò)光耦合器使第2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并以此調(diào)節(jié)輸出占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。C14用來(lái)濾除由高頻變壓器初、次級(jí)耦合電容所造成的共模騷擾。C7為控制環(huán)路的補(bǔ)償電容。

2.2    BTS412B型智能功率開(kāi)關(guān)

    BTS412B型智能功率開(kāi)關(guān)采用TO-220封裝，它有5個(gè)引出端：

    UBB為工作電源電壓端。

    GND為公共地。

    IN為控制信號(hào)輸入端。 [!--empirenews.page--]

    ST為狀態(tài)輸出端。

    OUT為功率輸出端。

    芯片內(nèi)部主要包括邏輯電路、電壓檢測(cè)電路、整流器、充電泵、功率MOSFET。此外，還有防止靜電放電（ESD）的保護(hù)電路，過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、負(fù)載開(kāi)路及短路保護(hù)電路，對(duì)電感負(fù)載的保護(hù)電路，對(duì)功率MOSFET柵極進(jìn)行保護(hù)的電路。

    BTS412B的主要技術(shù)參數(shù)為UBB>50V，連續(xù)輸出的負(fù)載電流IL=1.4A，最大峰值電流ILIMIT=25A，導(dǎo)通電阻RON=0.25Ω。

    使用兩片BTS412B作高端開(kāi)關(guān)，另用兩只BUZ71L型50V、14A、40W的N溝道場(chǎng)效應(yīng)管作低端開(kāi)關(guān)，可構(gòu)成如圖4所示的H橋雙向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。BUZ71L的導(dǎo)通電阻僅為0.1Ω。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，從ST端輸出的狀態(tài)信號(hào)就通過(guò)晶體管JE9013驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，作為報(bào)警指示。

圖4  H橋 雙 向 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 電 路

3  智能功率模塊的原理與應(yīng)用

    由日本三菱電機(jī)公司開(kāi)發(fā)出的IPM系列產(chǎn)品，屬于第三代智能功率模塊。它采用第三代IGBT來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率MOSFET和雙極型達(dá)林頓管，并配以功能完善的控制及保護(hù)電路，構(gòu)成了一種理想的高頻軟開(kāi)關(guān)模塊。這類模塊特別適用于正弦波輸出的變壓變頻（VVVF）式變頻器中。

    IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖5所示。模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)IGBT的電路、過(guò)流保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、溫度傳感器及過(guò)熱保護(hù)電路、門電路和IGBT。該系列產(chǎn)品配16位單片機(jī)后構(gòu)成的通用VVVF變頻器的原理圖，如圖6所示。

圖5  IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖

圖6  通用VVVF變頻器的原理圖