關(guān)于TPD17B1型110V控制電源柜三菱IPM模塊的外圍接口電路的設(shè)計(jì)

1、關(guān)于TPD17B1型110V控制電源柜三菱IPM模塊的外圍接口電路的設(shè)計(jì)岳鵬飛（暢通電子有限公司 技術(shù)開發(fā)部 030009 太原） 摘 要 TPD17B1型110V控制電源柜，功率單元核心變流元件采用了三菱公司PM200DSA120智能功率模塊。針對(duì)工業(yè)變頻、交流伺服等市場領(lǐng)域?qū)β誓K的需求，該文簡述了IPM模塊的基本工作特性，然后以PM200DSA120智能功率模塊為例，詳細(xì)介紹了IPM模塊外圍接口電路的設(shè)計(jì)，并提出了IPM過流保護(hù)的一種設(shè)計(jì)方法。最后通過TPD17B1型110V控制電源柜，高頻開關(guān)電源模塊的項(xiàng)目實(shí)例，表明了該接口電路設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾性強(qiáng)、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：

2、高頻開關(guān)電源模塊 智能功率模塊 驅(qū)動(dòng) 保護(hù)1前言韶山7E型電力機(jī)車是根據(jù)我國客運(yùn)提速的需要和鐵道部鐵科技函【2002】24號(hào)下達(dá)的韶山7E型客運(yùn)電力機(jī)車設(shè)計(jì)任務(wù)書的通知要求，在中國北方機(jī)車車輛工業(yè)集團(tuán)公司統(tǒng)一組織下，由集團(tuán)電力牽引研發(fā)中心牽頭，大同機(jī)車廠、大連機(jī)車車輛廠和株洲電力機(jī)車研究所共同努力、分工協(xié)作聯(lián)合開發(fā)的新型持續(xù)功率4800Kw,最高時(shí)速170km/h干線客運(yùn)電力機(jī)車。在2002年10月通過科技成果鑒定。SS7E型電力機(jī)車總共145臺(tái)，SS7D型電力機(jī)車59臺(tái)，內(nèi)部均采用模塊化控制電源柜。近年SS7E、SS7D電力機(jī)車進(jìn)入大修期，按修程的要求需要進(jìn)行機(jī)車的相關(guān)檢修工作。為提高公司整

3、體檢修實(shí)力，同時(shí)也為增加公司檢修產(chǎn)品的范圍，公司于2012年6月進(jìn)行了TPD17B1型控制電源柜的大修檢修開發(fā)工作。TPD17B1型控制電源柜采用了目前較為先進(jìn)的高頻開關(guān)電源變流技術(shù)，其中核心變流器件采用了三菱公司先進(jìn)的智能模塊PM200DSA120。現(xiàn)針對(duì)IPM智能模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特性，外圍驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路展開研究和設(shè)計(jì)，并提供一種IPM過流保護(hù)功能硬件電流的設(shè)計(jì)方法。2 IPM的基本工作特性2.1 IPM的結(jié)構(gòu)IPM由高速、低功率IGBT、優(yōu)選的門極驅(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和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)。IPM采用了

4、許多在IGBT模塊已經(jīng)得到驗(yàn)證的功率模塊隔離封裝技術(shù)。由于采用了兩種不同的封裝技術(shù)，使得內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路能適用的電流范圍很寬，同時(shí)使造價(jià)維持在合理水平。小功率器件(1550)A、600V和(1015)A、1200V采用一種多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣技術(shù)，而中大功率器件采用陶瓷絕緣技術(shù)2。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況，IPM有4種形式：單管封裝(H)、雙管封裝(D)、六合一封裝(C)和七合一封裝(R)，如圖1所示。圖1 IPM的電路結(jié)構(gòu)2.2 IPM的內(nèi)部功能機(jī)制IPM內(nèi)置柵極驅(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)和短路保護(hù)，一些六管封裝的C型模塊還具有過流保護(hù)功能。當(dāng)其中任一

5、種保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流。并輸出一個(gè)故障信號(hào)。以7管封裝的R型IPM為例。其內(nèi)部功能框圖如圖2所示。圖2IPM的功能框圖2.2.1IPM的各種保護(hù)功能具體如下：控制電壓欠壓保護(hù)(UV) (50300)A600V、(25150)A1200V IPM需要4路隔離的+15V供電，控制電源電壓降低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致IGBT的Vce(sat)功耗增加為防止熱損壞，當(dāng)檢測到控制電源電壓低于125V時(shí)發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。2.2.2過溫保護(hù)(OT) 在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，所以過溫保護(hù)可直接檢測IGBT單元的硅片溫度，當(dāng)IPM溫度傳感

6、器測出基板的溫度超過設(shè)定值(OT動(dòng)作電平)時(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。2.2.3短路保護(hù)(SC)若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過IGBT的電流值超過短路動(dòng)作電流(一般為IGBT額定工作電流的2倍)，且短路時(shí)間超過婦(sc)，則發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過大的didt，大多數(shù)IPM用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，減小響應(yīng)時(shí)間，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。2.2.4過流保護(hù)(OC) 有些六管封裝的C型IPM具有過流保護(hù)功能。若流過IGBT的電流值

7、超過過流動(dòng)作電流值，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。跟短路保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的didt，大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。當(dāng)IPM發(fā)生UV、OT、SC、OC中任一故障時(shí)。其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間為18ms(一般SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長一些)，此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷IPM；故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放?？梢钥闯?，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果Tfo結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作。因此，僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的保護(hù)，

8、要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行。還需要輔助的外圍保護(hù)電路。3 IPM的外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IPM外部驅(qū)動(dòng)電路是IPM內(nèi)部電路和控制電路間的接口。良好的外部驅(qū)動(dòng)電路對(duì)以IPM構(gòu)成的系統(tǒng)運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。由IPM內(nèi)部功能框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)電源的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動(dòng)電壓范圍為135V165V，電壓低于135V IPM將會(huì)誤動(dòng)作。甚至發(fā)生欠壓保護(hù)：電壓高于165V可能損壞內(nèi)部部件：驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為5Hz20kHz，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

9、壓值的2倍(2xVces)；驅(qū)動(dòng)電路輸出端的濾波電容不能太大。因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過lOOpF時(shí)。噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路2?，F(xiàn)以PM200DSA120為例，設(shè)計(jì)了IPM的一種典型外圍驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示。其中，RAS150H110C24是POWR公司中間電壓電源模塊和WRF2415P-6W是金升陽公司高隔離電壓電源模塊在輸入端DC110+加60160V的直流電壓通過RAS150H-110C24即可在輸出端得到一路24V的直流電壓，為WRF-2415P-6W提供輸入電壓，WRF2415P-6W產(chǎn)生IPM所需的2路相互隔離的+15V電壓：IPM的控制輸入信號(hào)經(jīng)高速光耦送到IPM的輸入端，兩路

10、輸入信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)均相同，所以圖中只畫出其中的一路輸入信號(hào)；高速光耦起到電氣隔離IPM與外部電路的作用。IPM的控制輸入信號(hào)和故障輸出信號(hào)均需通過光耦傳輸。圖3 IPM驅(qū)動(dòng)電路和外圍隔離電路在應(yīng)用要求不高的場合也可以用常用的整流電路得到20V直流電壓取代RAS150H-110C24作為WRF2415P-6W的輸入端，也可以采用整流電路直接得到2路隔離+15V電壓，但效果不如圖3所示的方案。4 IPM的保護(hù)電路設(shè)計(jì)因IPM自身提供的FO信號(hào)不能保持，為避免IPM保護(hù)動(dòng)作的反復(fù)性。一個(gè)完整的系統(tǒng)不能只依靠IPM的內(nèi)部保護(hù)機(jī)制，還需要輔助外圍電路的保護(hù)，外圍輔助電路將內(nèi)部提供的FO信號(hào)轉(zhuǎn)換為封鎖IP

11、M的控制信號(hào)，關(guān)斷IPM輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)?？赏ㄟ^硬件方式實(shí)現(xiàn)。4.1 IPM保護(hù)電路軟件的實(shí)現(xiàn)IPM驅(qū)動(dòng)電源由獨(dú)立的兩路+15V電壓供電，隔離電壓達(dá)到3000V，絕緣電路大于500M。兩路驅(qū)動(dòng)電源保護(hù)電路完全一致，現(xiàn)以其中一路展開分析。MC33161電源管理芯片對(duì)IPM驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)輸出電壓超過設(shè)計(jì)值135V165V范圍時(shí)，通過高壓隔離光耦SFH615-3將故障信號(hào)輸出到處理器ATtiny13-20SI 的PB3端口，迅速將兩路IPM驅(qū)動(dòng)電源關(guān)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM的保護(hù)。經(jīng)過270ms后重新開啟驅(qū)動(dòng)電源，若3.5S秒內(nèi)兩路輸出電壓均正常則進(jìn)入正常工作模式;若在3.5S內(nèi)再次發(fā)生故障處理器將永

12、久關(guān)閉IPM驅(qū)動(dòng)電源。PWM形成處理器經(jīng)過綜合判斷后可對(duì)ATtiny13-20SI處理器進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，使IPM驅(qū)動(dòng)電源重新工作。當(dāng)IPM故障時(shí)，自身提供的FO信號(hào)通過光耦4N25離后輸入到處理器ATtiny13-20SI的BP0端口。當(dāng)連續(xù)監(jiān)測到FO信號(hào)后，通過BP1經(jīng)低速光耦隔離后封鎖PWM形成電路，從而達(dá)到關(guān)斷IPM，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。待故障解除后，控制器發(fā)送故障清除指令解除處理器ATtiny13-20SI的BP1的封鎖，開啟PWM使IPM正常工作。圖4IPM軟件保護(hù)電路4.2 IPM保護(hù)電路的硬件實(shí)現(xiàn)IPM有故障時(shí)，故障輸出端將輸出低電平，通過低速光耦隔離，到達(dá)硬件電路，關(guān)斷PWM輸出，從而實(shí)現(xiàn)

13、保護(hù)IPM的目的。具體硬件連接方式如圖5所示。PWM信號(hào)經(jīng)三態(tài)收發(fā)器74HC245后，送至高速光耦HCPL4504，經(jīng)光耦隔離放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路控制IGBT工作。IPM的2個(gè)故障信號(hào)(包括上臂1管的故障輸出端子和下臂管的1個(gè)故障輸出端子)經(jīng)低速光耦隔離后，再經(jīng)與非門送至JK觸發(fā)器，從而達(dá)到鎖存故障信號(hào)的目的。鎖存器的負(fù)端輸出信號(hào)接收發(fā)器74HC245的使能端，當(dāng)IPM有故障時(shí)。JK觸發(fā)器的J端子為低電平，其負(fù)輸出端就為高電平，收發(fā)器的輸出被置為高阻態(tài)，封鎖各個(gè)IPM的控制信號(hào)。關(guān)斷IPM，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。待故障解除后，控制器發(fā)送故障清除信號(hào)FAULT_CLR至JK觸發(fā)器，即可重新使能74HC

14、245，使IPM正常工作。由于本保護(hù)電路是基于PM200DSA120設(shè)計(jì)的，該IPM模塊發(fā)生短路保護(hù)的動(dòng)作電流值為400A，實(shí)際應(yīng)用中，IPM工作時(shí)可能達(dá)不到400A就應(yīng)該封鎖IPM的控制輸入信號(hào)，所以本電路還設(shè)計(jì)了過流保護(hù)功能。如圖5中的虛線框1內(nèi)所示，在IPM的負(fù)母線端串接一霍爾電流元件來檢測母線上的電流其輸出量為電壓當(dāng)母線上的電流超過實(shí)際應(yīng)用中的動(dòng)作值時(shí)，比較器輸出高電平，再串接一反相器，當(dāng)發(fā)生過流時(shí)，OC端也輸出低電平，與IPM的2個(gè)故障信號(hào)與非后一起送JK觸發(fā)器的輸入端。圖5IPM保護(hù)電路5結(jié)論和建議（1）利用IPM故障輸出信號(hào)封鎖IPM的控制信號(hào)通道，軟件保護(hù)不需要增加硬件，簡便易行，但可能受到軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)故障的影響；硬件保護(hù)則反應(yīng)迅速，工作可靠。應(yīng)用中軟件與硬件結(jié)合的方法能更好的彌補(bǔ)IPM自身保護(hù)的不足，提高系統(tǒng)的可靠性。（2）實(shí)際運(yùn)行和調(diào)試結(jié)果表明，IPM供電電源穩(wěn)定，