單相逆變器智能功率模塊應(yīng)用電路設(shè)計

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igbt、優(yōu)選的門級驅(qū)動器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中，igbt是gtr和mosfet的復(fù)合，由mosfet驅(qū)動gtr，因而ipm具有g(shù)tr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)動功率的優(yōu)點。

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)功能動作時，ipm將輸出故障信號fo。

ipm內(nèi)部電路不含防止干擾的信號隔離電路、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)計部分外圍電路。

3 ipm的外部驅(qū)動電路設(shè)計

ipm的外部驅(qū)動電路是ipm內(nèi)部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅(qū)動電路對以ipm構(gòu)成的系統(tǒng)的運行效率、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)動電路。所以只要提供滿足驅(qū)動功率要求的pwm信號、驅(qū)動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是，ipm對驅(qū)動電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動電壓范圍為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)動信號頻率為5hz～20khz，且需采用電氣隔離裝置，防止干擾：驅(qū)動電源絕緣電壓至少是ipm極間反向耐壓值的2倍(2vces)；驅(qū)動電流達(dá)19ma-26ma；驅(qū)動電路輸出端的濾波電容不能太大，這是因為當(dāng)寄生電容超過100pf時，噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動電路。

圖3所示是一種典型的高可靠性ipm外部驅(qū)動電路方案。來自控制電路的pwm信號經(jīng)r1限
流，再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接ipm內(nèi)部驅(qū)動電路并控制開關(guān)管工作，fo信號也經(jīng)過光耦隔離輸出。其中每個開關(guān)管的控制電源端采用獨立隔離的穩(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。r1根據(jù)控制電路的輸出電流選取，如用dsp產(chǎn)生pwm，則r1的阻值可為330ω。r2根據(jù)ipm驅(qū)動電流選值，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，可在2kω～6.8kω內(nèi)選取。c1為2端與地間的0.1μf濾波電容器，pwm隔離光耦的要求是tplh<0.8μf，tphl<0.8μf，cmr>10kv／μs，可選用hcpl4503型、hcpl4504型、ps2041型(nec)等高速光耦，且在光耦輸入端接1只0.1μf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

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信號轉(zhuǎn)換為封鎖ipm的控制信號，關(guān)斷ipm，實現(xiàn)保護(hù)。

4.1 硬件

ipm有故障時，fo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，與非門輸出為低電平，3態(tài)收發(fā)器選通；ipm有故障時，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ipm的控制信號，關(guān)斷ipm，實現(xiàn)保護(hù)。

4.2 軟件

ipm有故障時，fo輸出低電平，fo信號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，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)動保護(hù)引腳(pdpint)中斷實現(xiàn)對ipm的保護(hù)。通常1個事件管理器產(chǎn)生的多路pwm可控制多個ipm工作，其中每個開關(guān)管均可輸出fo信號。每個開關(guān)管的fo信號通過與門，當(dāng)任一開關(guān)管有故障時輸出低電平，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故障輸出信號封鎖ipm的控制信號通道。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

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和瞬時功耗會對器件產(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)器件安全運行。

圖4為常用的3種ipm緩沖電路。圖4(a)為單只無感電容器構(gòu)成的緩沖電路。對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時間常數(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(guān)周期的l／3，即τ=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，負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管向緩沖電容器充電，同時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開通時儲存的能量，這時儲存在緩沖電容器中。當(dāng)igbt開通時。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達(dá)到最大值。此時，緩沖電容器通過外接電阻器和igbt開關(guān)放電，其儲存的開關(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運行時產(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安全運行。

圖4(c)中的電阻值和電容值按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取：如pm200dsa060的電容值為0.22μf一0.47μf，耐壓值是igbt的1.1倍～1.5倍，電阻值為10ω～20ω，電阻功率按p=fcu2*10-6計算，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?？梢愿鶕?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入手：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極電容器、與ipm相匹配的快速緩沖二極管及無感泄放電阻器。

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：控制電路完成對逆變橋中開關(guān)管的控制并實現(xiàn)部分保護(hù)功能。

圖中的逆變?nèi)珮蛴?個開關(guān)管和4個續(xù)流二極管組成，工作時開關(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)計開關(guān)管的保護(hù)電路和驅(qū)動電路，導(dǎo)致電路龐大且不可靠。

筆者采用一對pm200dsa060雙單元ipm模塊分別代替圖中v1、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ipm的控制，完成了中頻率20kw、230v逆變器的設(shè)計和調(diào)試，采用了如上所述的驅(qū)動電路、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)計實踐表明：使用ipm可簡化系統(tǒng)硬件電路、縮短系統(tǒng)開發(fā)時間、提高可靠性、縮小體積，提高保護(hù)能力。