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1、引言IPM 智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT 芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成。由于承受了能连续监测功率器件电流的、有电流传感功能的 IGBT 芯片，从而可实现高效的过流保护和短路保护。由于 IPM 智能功率模块集成了过热和欠压锁定保护电路，因而系统的牢靠性得到了进一步提高。IPM 智能功率模块的性能特点IPM 智能功率模块的优点使用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的本钱。与一般的 IGBT 相比，在系统性能和牢靠性上有进一步的提高。由于 IPM 集成了驱动和保护电路，使得用户的产品设计变得相对简洁，并能缩短开发周期；由于 IPM 通态损耗和
2、开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；全部的 IPM 均承受同样的标准化与规律电平掌握电路相联的栅极掌握接口，在产品系列扩大时无需另行设计电路。IPM 在故障状况下的自保护力量，也削减了器件在开发和使用中过载状况下的损坏时机。IPM 智能功率模块安全工作区IPM 内置的栅极驱动电路和保护电路可以对很多违反IGBT 模块安全工作区SOA的运行模式加以保护， 智能功率模块的开关安全工作区和短路安全工作区定义概述如下：开关安全工作区开关关断安全工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流。对于 IPM，内置栅极驱动取消了因不正确的栅极驱动而造成的很多电压和电流的危急组合，
3、此外，最大工作电流受过流保护电路的限制。依据这些限制条件，开关安全工作区可用图 1 中的波形来定义，只要主电路直流母线电压低于数据手册中的 Vcc(port)指标，每个IPM 功率单元的C-E 间关断瞬时电压低于VCES 指标，Tj 小于 125， 掌握电源电压在 13.5V 和 16.5V 之间，IPM 将会安全工作。波形中的IOC 是IPM 的过流故障不会动作的最大允许电流。换句话说，它正好处在OC 动作数值以下。该波形定义了硬关断操作的最坏状况，当电流高于OC 动作数值时，IPM 将关断该电流。短路安全工作区图 2 是一个典型的短路运行波形。标准测试条件用最小阻抗短路来产生流过该器件的最
4、大短路电流。在测试中，短路电流ICS只受器件特性的限制，只要主电路直流母线电压低于Vcc(port)规定值，每个IPM 功率单元的 C-E 间全部瞬时电压低于VCES 指标，Tj 小于 125，掌握电源电压在 13.5V 和 16.5V 之间，对于非重复性的短路，IPM 保证不会损坏。波形显示了IPM 为了减低浪涌电压而使用的软关断。IPM 智能功率模块的自保护功能自保护特点IPM 有精良的内置保护电路以避开因系统失灵或过应力而使功率器件损坏的状况。内置保护功能的框图如图 3 所示。假设 IPM 模块其中有保护电路动作，IGBT 栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号FO。掌握电源欠压锁定
5、内部掌握电路由一个 15V 直流电源供电。假设由于某种缘由这一电源电压低于规定的欠压动作数值UV， 则该功率器件将被关断并输出一个故障信号。假设小毛刺干扰时间小于规定的tdUV，则不影响掌握电路工作，欠压保护电路也将不工作。保护后，要恢复正常工作，电源电压必需超过欠压复位数值UVr。欠压保护电路在掌握电源上电和掉电期间都要保持工作。过宠保护在靠近 IGBT 芯片的绝缘基板上安装温度传感器。假设基板温度超出过热动作数值OT，IPM 内部掌握电路将截止栅极驱动，不影响掌握输入信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。当温度回落至过热复位数值OTr以下，并且掌握输入为高电平关断状态，功率器件将接收
6、下一个低电平开通状态 输入信号并恢复正常工作。过流保护假设流过 IGBT 的电流超出过流淌作数值OC的时间大于toff(OC)，IGBT 将被关断。超过 OC 数值但时间小于toff(OC)的电流短脉冲并不危急，过流保护电路将不予处理。当检测出过电流时，IGBT 将被软关断，同时输出一个故障信号。受控的软关断能掌握关断大电流而发生的浪涌电压。短路保护假设负载发生短路而导致上下臂同时导通，IPM 内置短路保护电路将关断IGBT。假设流经 IGBT 的电流超出短路保护动作数值SC，软关断马上启动并输出一个故障信号。为缩短SC 检测与SC 关断之间的响应时间，IPM 承受了实时电流掌握电路RTC。S
7、C 动作时，实时电流掌握电路直接监测IGBT 驱动的末级电路， 因此响应时间可以减小到缺乏 100ns。IPM 智能功率模块的驱动电路设计驱动电路的要求一个低电平输入信号将使 IGBT 开通。典型地，IPM 的输入脚被用一个连接到掌握电源正侧的电阻拉高，把掌握输入拉低则产生一个“开通”的信号。故障输出信号 FO 表现为集电极开路，假设发生故障，开路集电极器件即行接通，故障输出脚从掌握电源正端吸取电流。接口电路设计中布线很重要。为避开 dv/dt 噪声耦合到掌握电路，在布线中肯定要认真考虑：在上臂接口电路之间、上臂和下臂接口电路之间的寄生电感都会产生噪声的问题。驱动电路的原理图 4 是用于空调机
8、变频掌握器的三菱公司的六合一IPM 智能功率模块PM20CTM060 驱动电路的原理图。开关掌握信号和故障信号是通过隔离接口电路同系统掌握器连接的。TLP559 的特点是开关速度高，每秒达1M 次。TLP521 则具有电流传输比CTR大的特点，CTR 值达 200，图中的R508 是一个上拉电阻，它是确保在 IPM 智能功率模块没有故障时VFO 的输出为高电平。在使用 IPM 的设计中，4 路 15V 电源的质量要求比较高，波动范围为 15 V10%，否则会影响IPM 工作的牢靠性。而隔离光耦的选择也格外重要，电流传输比CTR应在100200 之间，隔离光耦的输入端是TTL 电平，其输入电流应
9、设定为 810mA。假设设计不当，则会增加 IGBT 工作在放大区的时间，导致 IGBT 功耗增大， 不能充分发挥 IPM 的效能。另外为了防止 IGBT 上下桥臂同时导通，软件设计时，在上下桥臂导通上设有死区时间即互锁时间。假设硬件设计不当，则会导致所需死区时间延长，从而增加 IPM 三相输出的高次谐波成分，致使压缩机运行振动增加，效率下降。驱动电路印刷电路板的设计驱动电路印刷线路板丝印面见图 5。IPM 智能功率模块的驱动电路印刷电路板承受带金属化孔的双面PCB 板制作，在设计中留意考虑以下三点：1、不应把因 IPM 开关时简洁引起电位变化的走线布得太近，由于高的dv/dt 会通过寄生电容
10、耦合噪声；信号线与电源线不要平行走线，以防相互干扰。2、光耦合器的输出脚和IPM 输入脚之间在PCB 上走线应尽量短，小于 23cm，由于长的走线简洁拾取电路其它局部的噪声。3、电源上用的滤波瓷片电容应尽量靠近相应的 IPM 引脚。在本设计中这四个电容C505C508选用的是低感退耦电容，并直接焊接在 IPM 相应的引脚上。IPM 模块的静电防护带静电的人体或其它过大的电压施加到栅-源或放射极上可能毁坏芯片。抗静电的根本措施就是尽量阻挡静电的产生并尽快将电荷释放掉。在焊接 IPM 智能模块时，应保证烙铁头良好接地，烙铁温度应掌握在330350温度范围内，焊接时间小于 10s；在电控箱体的装配过程中，应将测试设备和人体良好接地，推举在工作台和四周的地板上铺放导电毯，并将之接地。结语随着变频技术的日趋成熟，IPM 在变频家电中的应用也越来越广泛，这也必将推动IPM 技术的进展，早日开发出性价比更高的智能功率模块。
