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1、 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 1三菱電機三菱電機 IPM（智能功率模块）应用手册（智能功率模块）应用手册 Intelligent Power Modules Application Manual 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 2目录 1 引言.5 2 IPM（智能功率模块）的一般认识5 2.1.功率电路之设计5 a. 关断浪涌电压 b. 续流二极管恢复浪涌 c
2、. 接地回路 d. 减小功率电路之电感 2.2 吸收电路之设计.6 a. 吸收电路的类型 b. 吸收电感的作用 c. 母线电感的作用 d. 功率电路和吸收电路设计的建议 2.3 功耗设计.8 a. 功耗的估算 b. VVVF 变频器功耗的计算 c. 平均结温的估算 d. 瞬态温升的估算 e. 散热器之安装 3. IPM 的前身-IGBT 模块的使用11 3.1. IGBT 模块的结构和工作原理 11 3.2. IGBT 模块的额定值和特性.11 a. 最大额定值 b. 电气特性 c. 热阻 3.3. 特性曲线12 a. 输出特性 b. 饱和特性 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司
3、 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 3c. 开关特性 3.4 栅极驱动及模块的保护.13 a. 驱动电压 b. 串联栅极电阻（RG） c. 栅极驱动所须功率要求 d. 栅极驱动布线注意 e. dv/dt 保护 f. 短路保护 4. IPM 智能功率模块的使用16 4.1. IPM 的结构.16 a. 多层环氧树脂工艺 b. 铜箔直接铸接工艺 c. IPM 的优点 4.2. IPM 额定值和特性.19 a. 最大额定值 b. 热阻 c. 电气特性 d. 推荐工作条件 4.3. 安全工作区.21 a. 开关安全工作区 b. 短路安全工
4、作区 4.4. IPM 的保护功能.21 a. 自保护特性 b. 控制电源的欠压锁定（UV） c. 过热保护（OT） d. 过流保护（OC） e. 短路保护（SC） 4.5. IPM 的选用 24 4.6. 控制电路电源 a. IPM 的控制电源功率消耗 b. 布线指南 c. 电路结构 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 44.7. IPM 接口电路. 25 a. 接口电路要求 b. 布线 c. 内部输入输出电路 d. 连接接口电路 e. 死区时间（Td） f. 故障信号 FO 输出
5、的使用 g. IPM 的一般应用 h. 一般变频系统的结构 IPM 多功能控制板 MCU 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 51 引言: 1 引言: 把 MOS 管技术引入功率半导体器件的思想开创了革命性的器件：绝缘栅双 极晶体管 IGBT。她正在影响着工业，消费，军事等电力电子系统。 随着 IGBT 的工作频率在 20KHZ 的硬开关及更高的软开关应用中，我们已 然把她代替了 MOSFET 和 GTR。 功率器件的应用 IGBT 的发展使集外围电路内置于一块功率模块的 IPM 脱
6、颖而出。 IPM 已被 用于无噪声逆变器， 低噪声 UPS 系统和伺服控制器等设备上。 IPM 使用户产品的 体积减小，缩短上市时间，简化开发步骤。因为她内含：栅极驱动，短路保护， 过流保护，过热保护和欠压锁定。 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 62 IPM（智能功率模块）的一般认识 （智能功率模块）的一般认识 2.1 功率电路之设计 a. 关断浪涌 关断浪涌电压是在关断瞬间流过IGBT的电流时产生的瞬态高压。 1. 2. 图 1 是半桥感性负载电路，图 2 是它的波形。 下面的
7、 IGBT 由一组脉冲来控制导通和关断。每当下臂导通电流都将增加。 当该 IGBT 关断时，负载电流不能立即变化，由上臂续流二极管导通。如果 电路是理想的（不存在寄生电感） ，关断时下臂上的电压将上升，直到比母 线电压高出一个压降值。上臂的续流二极管随后导通以防止电压进一步上 升。但实际电路中必有寄生电感（Lp） ，且增加的电压 VP=LPdi/dt,这个电 压与电源电源电压叠加并以浪涌形式加在下臂 IGBT 的两端，在极端情况下 可能因超过 VCES而损坏。 b. 续流二极管的恢复浪涌 当续流二极管恢复时会产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压。 当下臂 IGBT 开通时，续流管电流转移到下臂 I
8、GBT 而下降。而当恢复时， 线路中的寄生电感产生一个浪涌电压 LPdi/dt. c. 接地回路 当控制信号（栅极驱动）与主电流共用一个电流路径时会导致接地回路。 由于主回路有很高的 di/dt， 至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压， 而导 致可能感应到栅极把本来截止的 IGBT 导通。下图描述了避免接地回路的噪声。 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 7图 A：这种电路适合于小电流六合一封装的模块。 图 B：这种电路适合于 200A 额定电流的模块。 （下臂栅极电源独立） 图
9、 C：超过 300A 的模块推荐使用。 d. 减小功率电路之电感 浪涌电压与寄生电感 LP 成正比。 所以在大电流模块的使用中更要降低回路电感。 迭层母线结构横截面图（极板放大以示细节） 2.2. 吸收电路之设计 吸收电路用以控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 8大电流三相变频器主回路布局 a. 吸收电路的类型： 图 A：由一个低感电容跨接在 C1E2 间，六合一的模块接在 PN 之间。 图 B：该二极管箝住瞬变电压，抑制谐振。RC 时间常
10、数应为开关周期的约为 1/3（=T/3=1/3f）. 图 C：大电流应用电路。 图 D：能有效控制瞬变电压，寄生震荡及噪音。不过高频应用欠佳。 b. 吸收电感的作用： 此图中V=LSdi/dt（关断电压波形） LS=吸收电路的寄生电感；di/dt=关断瞬间或恢复瞬间的 di/dt 由此可见大功率 IGBT 电路必须采用低感吸收电路。 c. 母线电感的作用： 设初试浪涌后随着吸收电容的充电，第二次瞬间电压为V2 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 9则：1/2LP I=1/2CV2 （
11、P=母线电感，I=工作电流，C=吸收电容；V2=吸收电容峰值； ） 则C=LPI/V2 d. 关于功率电路和吸收电路的几点建议 因为电容量和母线电感成正比，所以降低母线电感就能减少吸收电容。 双单元模块吸收电路 六，七单元模块吸收电路 推荐吸收电路取值表 2.3. 功耗设计 a. 功耗估算 上海嘉尚电子科技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 10通态损耗： 通态总功耗=饱和压降*通态电流。 在感性负载中，可以近似的通过 VFM*续流二极管平均电流值来计算续流二 极管功耗。 开关功耗： 当PWM信号频
12、率高于5KHZ时功耗会显著增加。 得到最精确的方法是测量 IC 和 VCE 的波形。将此波形逐点相乘即得到功耗 的瞬时波形，此波形是以焦耳/脉冲为单位的开关能量，该面积用作图积分来 计算。总开关功耗是开通及关断的功耗之和。平均功耗是单脉冲开关能量与 PWM 频率相乘得到的。 即：PSW=FPWM（ESW（on）+ESW（OFF） ） b. VVVF 变频器功耗计算 在变频器应用中 IGBT 的电流和占空比经常变化，下面公式可以应用时估算。 通用变频器主电路及输出波形 AIGBT 的功耗 B.每一个 IGBT 开关的损耗 C每一个 IGBT 的总功耗 D二极管功耗 E每一臂的功耗 上海嘉尚电子科
13、技有限公司上海嘉尚电子科技有限公司 T：021-64764189 F：021-64764189 http:/jia- Email: 11符号注释： ESW(on)：T=125C;峰值电流 ICP 下，每个脉冲对应的 IGBT 开通能量。 ESW（off） ：T=125C；峰值电流 ICP 下，每个脉冲对应的 IGBT 关断能量。 FSW：变频器每臂的 PWM 开关频率（通常 FSW=FC） 。 ICP：正弦输出的电流峰值。 VCE（sat）:T=125C;峰值电流 ICP 下，IGBT 的饱和电压。 VEC：IEP 情况下，续流二极管的正向压降。 D：PWM 信号占空比。 ：输出电压与电流间的相位角。 （功率因数=COS） c. 平均结温的估算 IGBT 的最大结温是 150C，在任何情况下都不能超过该值。 Rth 可以在数据手册中查到。 Rth(j-c)=标定的结壳热阻。 TJ=半导体结温。 PT=器件的总平均功耗（PSW+PSS） TC=模块的基板温度。 热计算方法 d. 瞬态结温升的计算 上海嘉尚
