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什么是智能功率模块,智能功率模块详解

  智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写,是一种先进的功率开关器件,具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间,也大大增强了系统的可靠性,适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC),在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。

  IPM结构编辑

  结构概念

  IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成,如图1所示。其中,IGBT是GTR和MOSFET的复合,由MOSFET驱动GTR,因而IGBT具有两者的优点。

  IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类:H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统,中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。

  内部功能机制编辑

  IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠,缩短了系统开发时间,也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比,IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。

  保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作,IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能具体如下:

  (1)控制电压欠压保护(UV):IPM使用单一的+15V供电,若供电电压低于12.5V,且时间超过toff=10ms,发生欠压保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。

  (2)过温保护(OT):在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器,当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时,发生过温保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。

  (3)过流保护(OC):若流过IGBT的电流值超过过流动作电流,且时间超过toff,则发生过流保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。为避免发生过大的di/dt,大多数IPM采用两级关断模式。其中,VG为内部门极驱动电压,ISC为短路电流值,IOC为过流电流值,IC为集电极电流,IFO为故障输出电流。

  (4)短路保护(SC):若负载发生短路或控制系统故障导致短路,流过IGBT的电流值超过短路动作电流,则立刻发生短路保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。跟过流保护一样,为避免发生过大的di/dt,大多数IPM采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间,IPM内部使用实时电流控制电路(RTC),使响应时间小于100ns,从而有效抑制了电流和功率峰值,提高了保护效果。

  当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时,其故障输出信号持续时间tFO为1.8ms(SC持续时间会长一些),此时间内IPM会封锁门极驱动,关断IPM;故障输出信号持续时间结束后,IPM内部自动复位,门极驱动通道开放。

  可以看出,器件自身产生的故障信号是非保持性的,如果tFO结束后故障源仍旧没有排除,IPM就会重复自动保护的过程,反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况,应避免其反复动作,因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行,需要辅助的外围保护电路。

  电路设计编辑

  驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口,良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。

  IGBT的分立驱动电路的设计

  IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题,设计时应注意以下几点:①IGBT栅极耐压一般在±20V左右,因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护,通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin,从而影响开关速度,后者的缺陷是将减小输入阻抗,增大驱动电流,使用时应根据需要取舍。②尽管IGBT所需驱动功率很小,但由于MOSFET存在输入电容Cin,开关过程中需要对电容充放电,因此驱动电路的输出电流应足够大,这一点设计者往往忽略。假定开通驱动时,在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电,则驱动电流为Igt=CinUgs/tr,其中可取tr=2。2RCin,R为输入回路电阻。③为可靠关闭IGBT,防止擎住现象,要给栅极加一负偏压,因此最好采用双电源供电。

  IGBT集成式驱动电路

  IGBT的分立式驱动电路中分立元件多,结构复杂,保护功能比较完善的分立电路就更加复杂,可靠性和性能都比较差,因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。

  IPM驱动电路设计

  IPM对驱动电路输出电压的要求很严格,具体为:①驱动电压范围为15V±10%?熏电压低于13.5V将发生欠压保护,电压高于16.5V将可能损坏内部部件。②驱动电压相互隔离,以避免地线噪声干扰。③驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的两倍(2Vces)。④驱动电流可以参阅器件给出的20kHz驱动电流要求,根据实际的开关频率加以修正。⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大,这是因为当寄生电容超过100pF时,噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。

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