單相逆變器智能功率模塊應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

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(wú)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?kΩ~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(PDPINT)中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM的保護(hù)。通常1個(gè)事件管理器嚴(yán)生的多路PWM可控制多個(gè)IPM工作．其中每個(gè)開關(guān)管均可輸出FO信號(hào)，每個(gè)開關(guān)管的FO信號(hào)通過與門．當(dāng)任一開關(guān)管有故障時(shí)輸出低電平，與門輸出低電平．將該引腳連至PDPINT，由于PDPINT為低電平時(shí)DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，從而達(dá)到保護(hù)目的。

以上2種方案均利用IPM故障輸出信號(hào)封鎖IPM的控制信號(hào)通道．因而彌補(bǔ)了IPM自身保護(hù)的不足，有效地保護(hù)了器件。

5 IPM的緩沖電路設(shè)計(jì)

在IPM應(yīng)用中，由于高頻開關(guān)過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的di／dt、dv／dt和瞬時(shí)功耗會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生較大的沖擊，易損壞器件．因此需設(shè)置緩沖電路(即吸收電路)，目的是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關(guān)損耗．保護(hù)器件安全運(yùn)行。

 

圖4為常用的3種IPM緩沖電路。圖4(a)為單只無(wú)感電容器構(gòu)成的緩沖電路，對(duì)瞬變電壓有效且成本低，適用于小功率IPM。圖4(b)為RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于較大功率IPM．緩沖二極管D可箝住瞬變電壓，從而抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)周期的1／3，即r=T／3=1／3f。圖4(c)為P型RCD和N型RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于大功率IPM。功能類似于圖4(b)所示的緩沖電路，其回路電感更小。若同時(shí)配合使用圖4(a)所示的緩沖電路。還能減小緩沖二極管的應(yīng)力，緩沖效果更好。

在圖4(c)中，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)．負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管向緩沖電容器充電，同時(shí)集電極電流逐漸減少，由于電容器二端的電壓不能突變．所以有效地限制了IGBT集電極電壓上升率dv／dt。也避免了集電極電壓和集電極電流同時(shí)達(dá)到最大值。IGBT集電極母線電感、電路及其元件內(nèi)部的雜散電感在IGBT開通時(shí)儲(chǔ)存的能量，這時(shí)儲(chǔ)存在緩沖電容器中。當(dāng)IGBT開通時(shí)，集電極母線電感以及其他雜散電感又有效地限制了IGBT集電極電流上升率di／dt．同樣也避免了集電極電壓和集電極電流同時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí)，緩沖電容器通過外接電阻器和IGBT開關(guān)放電，其儲(chǔ)存的開關(guān)能量也隨之在外接電阻器和電路、元件內(nèi)部的電阻器上耗散。如此，便將IGBT運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路．最后在相關(guān)電阻器上以熱的形式耗散，從而保護(hù)IGBT安全運(yùn)行。

圖4(c)中的電阻值和電容值按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選?。喝鏟M200DSA060的電容值為0．221xF~0．47xF,耐壓值是IGBT的1．1倍~1．5倍，電阻值為10?—20?,電阻功率按P=fCU2xlO-6計(jì)算，其中f為IGBT工作頻率，u為IGBT的工作峰值電壓。C為緩沖電路與電阻器串聯(lián)電容。二極管選用快恢復(fù)二極管。為了保證緩沖電路的可靠性，可以根據(jù)功率大小選擇封裝好的圖4所示的緩沖電路。

另外，由于母線電感、緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感對(duì)IPM尤其是大功率IPM有極大的影響，因此愈小愈好。要減小這些電感需從多方面人手：直流母線要盡量地短；緩沖電路要盡可能地靠近模塊；選用低電感的聚丙烯無(wú)極電容器、與IPM相匹配的快速緩沖二極管及無(wú)感泄放電阻器。

6 IPM在單相全橋逆變器中的應(yīng)用

圖5所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電路，其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷鞯浇涣鞯淖儞Q．濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電；控制電路完成對(duì)逆變橋中開關(guān)管的控制并實(shí)現(xiàn)部分保護(hù)功能。

 

圖中的逆變?nèi)珮蛴?個(gè)開關(guān)管和4個(gè)續(xù)流二極管組成，工作時(shí)開關(guān)管在高頻條件下通斷．開關(guān)瞬間開關(guān)管電壓和電流變大，損耗大，結(jié)溫升高，加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等．極易導(dǎo)致開關(guān)管瞬間損壞，以往常用分立元件設(shè)計(jì)開關(guān)管的保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路，導(dǎo)致電路龐大且不可靠。

筆者采用一對(duì)PM200DSA060雙單元IPM模塊分別代替圖中Vl、D1、V2、D2組合和V3、D3、v4、D4組合構(gòu)成全橋逆變電路，利用DSP對(duì)IPM的控制，完成了中頻率20kW、230V逆變器的設(shè)計(jì)和調(diào)試，采用了如上所述的驅(qū)動(dòng)電路、圖4(c)中的緩沖電路和基于DSP控制的軟件IPM保護(hù)電路。設(shè)計(jì)實(shí)踐表明：使用IPM可簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路、縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間、提高可靠性、縮小體積，提高保護(hù)能力。