來源：國(guó)外電子元器件  作者：軍械工程學(xué)院電氣工程系 王耀北 閆英敏
　
摘 要：以PM200DSA060型智能功率模塊(IPM)為例，介紹IPM的結(jié)構(gòu)，給出。IPM的外圍驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和緩沖電路的設(shè)計(jì)方案，介紹PM200DSA060在單相逆變器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：IPM：電路設(shè)計(jì)；PM200DSA060；逆變器

1 引言

智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)以開關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點(diǎn)在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。以PM200DSA060型IPM為例。介紹IPM應(yīng)用電路設(shè)計(jì)和在單相逆變器中的應(yīng)用。

2 IPM的結(jié)構(gòu)

IPM由高速、低功率IGWT、優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR，因而IPM具有GTR高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、MOSFET高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況，IPM有多種類型，如PM200DSA060型：IPM為D型(內(nèi)部集成2個(gè)IGBT)．其內(nèi)部功能框圖如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)有驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，保護(hù)功能有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)，當(dāng)其中任一種保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)。IPM將輸出故障信號(hào)FO。

IPM內(nèi)部電路不含防止干擾的信號(hào)隔離電路、自保護(hù)功能和浪涌吸收電路。為了保證IPM安全可靠。需要自己設(shè)計(jì)部分外圍電路。

3 IPM的外部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

IPM的外部驅(qū)動(dòng)電路是IPM內(nèi)部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅(qū)動(dòng)電路對(duì)以IPM構(gòu)成的系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

由IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可見．器件本身含有驅(qū)動(dòng)電路．所以只要提供滿足驅(qū)動(dòng)功率要求的PWM信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是．IPM對(duì)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動(dòng)電壓范圍為13．5V~16．5V．電壓低于13．5V將發(fā)生欠壓保護(hù)．電壓高于16．5V可能損壞內(nèi)部部件；驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為5Hz-20kHz,且需采用電氣隔離裝置。防止干擾：驅(qū)動(dòng)電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2倍(2Vces)；驅(qū)動(dòng)電流達(dá)19mA一26mA；驅(qū)動(dòng)電路輸出端的濾波電容不能太大．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。

圖3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅(qū)動(dòng)電路方案。來自控制電路的PWM信號(hào)經(jīng)R1限流．再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路并控制開關(guān)管工作，F(xiàn)O信號(hào)也經(jīng)過光耦隔離輸出。其中每個(gè)開關(guān)管的控制電源端采用獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓。15V電源，且接1只10μF的退耦電容器(圖中未畫出)以濾去共模噪聲。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選�。缬肈SP產(chǎn)生PWM．則R1的阻值可為330Ω。R2根據(jù)IPM驅(qū)動(dòng)電流選值，一方面應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲．另一方面又要足夠可靠地控制IPM�？稍�2kΩ~6．8kΩ內(nèi)選取。C1為2端與地間的O．1μF濾波電容器，PWM隔離光耦的要求是tPLH10kV／μs，可選用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦輸入端接1只O．1μ的退耦電容器(圖中未畫出)。FO輸出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的內(nèi)部引腳功能如表1所示。

圖3的外部接口電路直接固定在PCB上且靠近模塊輸入腳．以減少噪聲和干擾．PCB上布線的距離應(yīng)適當(dāng)，避免開關(guān)時(shí)干擾引起的電位變化。

另外，考慮到強(qiáng)電可能造成外部驅(qū)動(dòng)電路到IPM引線的干擾，可以在引腳1~4間，3~4間，4~5間根據(jù)干擾大小加濾波電容器。

4 IPM的保護(hù)電路設(shè)計(jì)

由于。IPM本身提供的保護(hù)電路不具備自保護(hù)功能．所以要通過外圍硬件或軟件的輔助電路將內(nèi)部提供的：FO信號(hào)轉(zhuǎn)換為封鎖IPM的控制信號(hào)．關(guān)斷IPM，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

4．1 硬件

IPM有故障時(shí)，F(xiàn)O輸出低電平，通過高速光耦到達(dá)硬件電路，關(guān)斷PWM輸出，從而達(dá)到保護(hù)IPM的目的。具體硬件連接方式如下：在PWM接口電路前置帶控制端的3態(tài)收發(fā)器(如74HC245)。PWM信號(hào)經(jīng)過3態(tài)收發(fā)器后送至IPM接口電路．IPM的故障輸出信號(hào)FO經(jīng)光耦隔離輸出送入與非門。再送到3態(tài)收發(fā)器使能端OE。IPM正常工作時(shí)．與非門輸出為低電平。3態(tài)收發(fā)器選通；IPM有故障時(shí)。與非門輸出為高電平。3態(tài)收發(fā)器所有輸出置為高阻態(tài)。封鎖各個(gè)IPM的控制信號(hào)．關(guān)斷IPM．實(shí)現(xiàn)保護(hù)。

4．2 軟件

IPM有故障時(shí)．FO輸出低電平，F(xiàn)O信號(hào)通過高速光耦送到控制器進(jìn)行處理。處理器確認(rèn)后。利用中斷或軟件關(guān)斷IPM的PWM控制信號(hào)．從而達(dá)到保護(hù)目的。如在基于DSP控制的系統(tǒng)中．利用事件管理器中功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳(PDPI