智能功率模塊IPM

1、智能功率模塊智能功率模塊IPM小組成員：李海燕朱莉莉夏漪婷金中亞顧靜靜黃銀萍l 本段介紹了智能功率模塊IPM的特點和特性,分析了IPM在應用設計過程中應考慮的諸多問題及解決方法。l 把MOS管技術(shù)引入功率半導體器件的思想開創(chuàng)了革命性的器件:絕緣柵雙極晶體管IGBT。隨著IGBT在工作頻率為20KHZ的硬開關(guān)及更高的軟開關(guān)中的應用,它已經(jīng)代替了MOSFET和GTR,成為最主要的電力電子器件。 l IGBT的發(fā)展使集外圍電路內(nèi)置于一塊功率模塊的智能功率IPM脫穎而出。IPM內(nèi)含柵極驅(qū)動、短路保護、過流保護、過熱保護和欠壓鎖定等功能,已被廣泛用于無噪聲逆變器,低噪聲UPS系統(tǒng)和伺服控制器等設備上。I

2、PM使產(chǎn)品的體積減小,縮短了開發(fā)時間,簡化了開發(fā)步驟。一、一、IPM的原理的原理1、IPM的特點的特點l1.1、IPM的構(gòu)成l智能功率模塊IPM(Intelligent Powr Module)不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起,而且還內(nèi)藏有過電壓,過電流和過熱等故障檢測電路,并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護電路構(gòu)成。即使發(fā)生負載事故或使用不當,也可以IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件,并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。 l1.2、IPM的優(yōu)點 l(1)開關(guān)速度快。IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型

3、,而且驅(qū)動電路緊靠IGBT芯片,驅(qū)動延時小,所以IPM開關(guān)速度快,損耗小。 l(2)低功耗。IPM內(nèi)部的IGBT導通壓降低,開關(guān)速度快,故IPM功耗小。 l(3)快速的過流保護。IPM實時檢測 IGBT電流,當發(fā)生嚴重過載或直接短路時,IGBT將被軟關(guān)斷,同時送出一個故障信號。 l(4)過熱保護。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當基板過熱時, IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動,不響應輸入控制信號。 l(5)橋臂對管互鎖。在串聯(lián)的橋臂上,上下橋臂的驅(qū)動信號互鎖。有效防止上下臂同時導通。 l(6)抗干擾能力強。優(yōu)化的門級驅(qū)動與 IGBT集成,布局合理,無外部驅(qū)動線。 l(7)驅(qū)動電

4、源欠壓保護。當?shù)陀隍?qū)動控制電源(一般為15V)就會造成驅(qū)動能力不夠,增加導通損壞。IPM自動檢測驅(qū)動電源,當?shù)陀谝欢ㄖ党^10s時,將截止驅(qū)動信號。 l(8)IPM內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路。縮短開發(fā)了時間。 l(9)無須采取防靜電措施。 l(10)大大減少了元件數(shù)目。體積相應小。 2、IPM參數(shù)和特性參數(shù)和特性3、控制電路電源、控制電路電源l3.1 、IPM控制功率消耗控制電路電流ID與開關(guān)頻率FC有關(guān); 600V IPM控制電流(mA) l3.2、布線指南六個或七個IGBT單元的IPM四組隔離的供電電源,兩單元或一單元的則在三相大功率中需要六組隔離電源,以避免噪聲。 IPM的控制電源端子應接一個至

5、少10F的退耦電容,該電容幫助過濾共模噪聲并提供IPM柵極電路所須電流。4、接口電路、接口電路l4.1、接口電路的要求l 低電平開通，高電平截止。 l4.2、布線指南l 接口電路設計主要考慮的是dv/dt噪聲耦合問題。不應把PCB板上走線布的太過靠近,否則開關(guān)使電位發(fā)生變化。必須屏蔽！推薦光耦:t PLH ,t PHL 10kV/s。通常型號:HCPL4503,HCPL4504, PS2041(NEC),在光耦合端接一個0.1F的退耦電容。控制端上拉電阻應盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲,但又要足夠可靠地控制IPM。低速光耦可用于故障輸出端和制動輸入端。l4.3、接口電路的連接l把接口直接做

6、在PCB板上可靠近模塊輸入腳以減少噪聲，如圖1所示。l4.4 、FO輸出信號的使用l當TFO=1.8ms(典型值)有效時,IPM會關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。在 FO結(jié)束后,自動復位,同時使輸入有效。在 FO輸出時系統(tǒng)必須在1.8ms內(nèi)使PWM信號無效,等故障排除后方可重新有效。必須避免重復故障而導致結(jié)溫升高損壞IPM。系統(tǒng)可通過檢測tFO時間長度來確定是過流還是短路引起(1.8ms),過熱時間會長一些。過熱復位一般要等基板冷卻到OTR以下需要幾十秒鐘。 5、結(jié)語、結(jié)語l由于IPM均采用具有標準化的邏輯電平的柵控接口,使IPM很方便與控制電路板相連接。IPM在故障情況下的自保護能力,降低了器件在開發(fā)

7、和使用中損壞的機會,大大提高了整機的可靠性,被廣泛地應用于工業(yè),軍事等電力電子系統(tǒng)。二、二、IPM的應用的應用l1、IPM模塊在變頻器中的應用 隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)趨向數(shù)字化和高集成度方向發(fā)展。變頻器的功率器件也經(jīng)歷了從SCR, GTO到IGBT的發(fā)展歷程，控制方式也從最初的v/f控制，發(fā)展到矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。變頻家電等控制系統(tǒng)中，功率驅(qū)動器件是必不可少的，智能功率模（IPM）就是一個典型的高度集成的功率驅(qū)動器件，然而，電力變換技術(shù)的進步和電力變換器的廣泛應用也帶來了很多弊端，其產(chǎn)生的公害電磁干擾以及諧波污染已成為世人關(guān)注的社會問題。

8、而雙PWM變頻調(diào)速技術(shù)以其可以實現(xiàn)電機的四象限運行、能量轉(zhuǎn)換效率高、能量能雙向流動，尤其是能方便地實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)近似為1，消除了諧波污染等特點已成為研究的一個熱點。1）在變頻調(diào)速控制器中的應用）在變頻調(diào)速控制器中的應用l單電源IPM模塊應用非常廣泛，尤其在中小功率變頻系統(tǒng)中，如工業(yè)洗衣機控制用變頻器，紡織機控制用儲緯器，注塑機控制系統(tǒng)中等，家電行業(yè)應用也非常廣泛，如變頻空調(diào)、洗衣機、冰箱等。下面以IPM模塊在小功率變頻器中的實際使用情況，具體說明單電源ipm在系統(tǒng)中的應用。l單電源IPM模塊在系統(tǒng)中應用示意圖如圖4所示。 由于系統(tǒng)中使用了單電源IPM模塊，即只需要給IPM模塊提供一路電

9、源，整個系統(tǒng)可以共一個參考地，這樣可以減少用于電氣隔離用的光耦，包括6路IPM驅(qū)動信號，故障檢測信號。另外，電壓、電流檢測也可以方便地通過檢測直流側(cè)電壓和n線電流，而不需要電壓互感器和電流互感器，從而大大降低系統(tǒng)的硬件成本。2）在雙）在雙PWM變頻器中的應用變頻器中的應用l雙PWM變頻器中整流及逆變部分均需要采用六個IGBT開關(guān)管進行控制，如果采用單獨的IGBT開關(guān)管再加上續(xù)流二極管，勢必會使得變頻器的體積增大。而采用IPM智能模塊就可以很方便的節(jié)約成本和減少體積。文中所介紹的IPM智能模塊是富士公司型號為6MBP20RH060的IPM智能模塊，它內(nèi)部具有低功耗、軟開關(guān)、高性能及擁有過熱保護的

10、高可靠性IGBT。內(nèi)置有過電流保護、短路保護、控制電壓欠壓保護、過熱保護及外部輸出警報端口。用這樣的模塊作為雙PWM變頻器的功率器件，大大簡化了硬件電路的設計，縮小了電源體積，簡化了接線，大大縮短了開發(fā)周期，更主要的是，它提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理基于基于IPM的雙的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能越來越受關(guān)注，但整流部分由原先的整流二極管替換成可控器件勢必增加了成本，然而IPM智能模塊的出現(xiàn)不僅為降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保護性能為設計提供了極大的方便。因此采用IPM智能模塊設計雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有電路設計簡單、

11、保護措施完善、體積小等特點，具有很好的發(fā)展前景。影響整個系統(tǒng)的性能。2、智能功率模塊在電動汽車中的、智能功率模塊在電動汽車中的應用應用l節(jié)能和可替代能源的探索已成為當今工業(yè)發(fā)展的主題而且這一趨勢還將持續(xù)。風能、太陽能和電動汽車近年來得到蓬勃發(fā)展，而電力電子器件則成為這些領域的熱點。l系統(tǒng)硬件配置以TMS320LF2407為核心的硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由以下幾部分構(gòu)成:控制器核心TMS320LF2407，外圍接口電路、功率開關(guān)模塊及其驅(qū)動，DC-DC變換模塊。l電動汽車的種類有很多，包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車等。純電動汽車是用電代替內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車。其電機工作的能源來自

12、于蓄電池。圖6示出其應用框圖。高度集成的技術(shù)使得IPM能夠顯著簡化整個PWM變頻器的設計。變頻器開發(fā)工程師只需設計簡單的絕緣接口和4個或者6個IPM供電電源電路。簡化的外圍電路能夠很好的滿足電動汽車變頻器對于單位體積內(nèi)功率密度高的要求。當IPM快速關(guān)斷時儲存在雜散電感中的能量耗散在開關(guān)器件上。從而在開關(guān)器件上會產(chǎn)生浪涌電壓。浪涌電壓的值直接與雜散電感值以及集電極電流關(guān)斷變化率相關(guān)。因此。功率部分的換流電路設計必須盡可能地降低雜散電感。電動汽車變頻器通常采用疊層母線排可有效降低雜散電感。即使IPM在直流母線電壓很高時發(fā)生短路關(guān)斷，浪涌過電壓也不會超過模塊的耐壓極限。l圖7示出逆變器在發(fā)生相間短路

13、時的IPM內(nèi)部IGBT單元的測試波形。電動汽車通常采用水冷散熱。為提高冷卻能力，水冷的水路應設計在IPM內(nèi)的IGBT硅片正下方。此外，必須確保這些水路的密封以避免泄露，并選擇合適的位置以消除管道與安裝孔之間的沖突。高效的散熱系統(tǒng)能保證功率循環(huán)壽命和熱循環(huán)壽命。3、IPM在雷達伺服系統(tǒng)中的應用在雷達伺服系統(tǒng)中的應用l智能功率模塊( IPM ) 出現(xiàn)于上世紀九十年代, 它通過采用先進的材料和工藝將功率單元、驅(qū)動單元、邏輯單元、傳感單元和保護單元等集成于一體, 這樣不僅應用方便, 更關(guān)鍵的是它提高了系統(tǒng)的可靠性, 并縮小了體積。某些雷達系統(tǒng)在設計時要求體積小、重量輕和可 靠性高, 而采用常規(guī)的設計將

14、難以達到這一要求, 為 此, 我們采用智能功率模塊來解決這個非常棘手的問題, 并研制出無刷直流電動機驅(qū)動的高性能雷達伺系統(tǒng)。 1）雷達伺服系統(tǒng)）雷達伺服系統(tǒng)l 早期的雷達伺服系統(tǒng)中多采用普通直流電動機 作為執(zhí)行元件來完成對雷達天線的驅(qū)動控制。但是, 普通直流電動機由于使用了電刷和機械換向器, 因此在工作時會產(chǎn)生電火花干擾, 且碳刷在一些環(huán)境中磨損快、壽命短, 維護不便。而稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型的驅(qū)動執(zhí)行元件, 采用了電子換向, 因而具有可靠性高、壽命長、無電火花干擾的特點, 它同時還具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、高精度等性能。目前, 采用無刷直 流電動機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)在一些雷達系

15、統(tǒng)中已經(jīng)開始應用。采用無刷直流電動機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的雷達伺服系統(tǒng)原理框圖如圖 1 所示。2）無刷直流電動機及其控制）無刷直流電動機及其控制l無刷直流電機 l稀土永磁無刷直流電機是一種新型的電動機, 其相電勢為梯形波, 電樞電流為120 度矩形波。它的基本構(gòu)成包括電動機本體、控制器和位置傳感器三部分, 電機的三相定子繞組分別與作為功率電子開關(guān)的橋式主回路中相應的功率開關(guān)管連接。由于采用脈寬調(diào)制 (PWM ) 控制, 所以, 電子開關(guān)電路由功率開關(guān)單元、位置傳感器信號處理單元和脈寬調(diào)制器組成, 用來控制電動機定子各相繞組通電的順序與時間。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相連接, 它將轉(zhuǎn)子磁鋼位置

16、變換成電信號, 經(jīng)位置傳感器信號處理單元處理后, 去控制功率電子開關(guān), 使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。隨著各相繞組按一定順序工作,在電機中就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場, 從而拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 l無刷直流電動機的控制 l無刷直流電動機系統(tǒng)的原理框圖如圖2 所示。它由脈寬調(diào)制器、無刷直流電動機的換相處理、驅(qū)動與保護及橋式逆變主回路幾部分組成。本系統(tǒng)中驅(qū)動采用IPM , 主回路為脈寬調(diào)制式變換器, 即PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類, 它在控制上又分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆 PWM運行, 因此, 在靜、動態(tài)性能要求比較高

17、的雷達伺服系統(tǒng)中應采用雙極式可逆PWM 變換器。 3）IPM模塊模塊MSK4462及其應用及其應用l一般說來, 智能功率模塊( IPM ) 包含有數(shù)字接口電路、驅(qū)動電路、功率器件、保護電路、內(nèi)部DC -DC變換器等部分, 是數(shù)模混合式大規(guī)模集成電路。事實上, 智能功率模塊是復雜分立器件的集成, 它在原理上并沒有增加新的功能。智能功率模塊是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物, 它是計算機與電氣設備之間的關(guān)鍵接口。IPM 模塊M SK4462 是一種無刷直流電動機的控制驅(qū)動功率模塊,用 IPM 模塊M SK4462 可方便地構(gòu)成如圖 1 所示的無刷直流電動機驅(qū)動的高性能雷達伺服系統(tǒng), 該系統(tǒng)中電

18、機換相信號由M SK4462 內(nèi)部的換相邏輯電 路產(chǎn)生, 而 IPM 模塊M SK4462 外加補償網(wǎng)絡即可構(gòu)成電流P I 調(diào)節(jié)器, 以實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制?？紤]到超調(diào)小、電流跟隨性好等性能, 電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)校正。由 IPM 模塊MSK4462 構(gòu)成的上述雷達伺服系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點。 4、IPM智能模塊設智能模塊設PWM整流器的應用整流器的應用l1）模塊介紹 l文中介紹的是富士公司型號為 6MBP30RH060的 IPM智能模塊，該模塊不僅具有一般 IPM的功能外，還具有采用低功耗軟開關(guān)技術(shù)；帶溫度保護的高性能高可靠性的IGBT。 結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示。 l電氣特性 l

19、6MBP30RH060的IPM智能模塊為額定電流30A，耐壓值600V，直流母線耐壓值450V，抗浪涌值為500V。開關(guān)頻率最小1KHz，最大20KHz。對于 PWM整流器來說，可以采用 20KHz的開關(guān)頻率。 l保護功能 lIPM的保護功能應對的是非反復性異常現(xiàn)象，只是起到警告的作用，并不能消除故障。當發(fā)出警報時，請停止設備使用，不要施加超過額定值的輸入。lA、過電流保護。 B、短路保護。lC、欠壓保護功能。D、過熱保護。2）基于）基于IPM智能模塊的電路設計智能模塊的電路設計5、基于PVIPM的光伏并網(wǎng)逆變器l一種基于PM5086LA060的雙輸入組串光伏并網(wǎng)逆變器。兩支路具有獨立的Boo

20、st變換器和最大功率點跟蹤控制，可接不同規(guī)格的電池組串作為輸入，極便于光伏系統(tǒng)的配置。介紹了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)、光伏智能功率模塊(PhotovohaicIntelligent Power Moduh。簡稱PVIPM)的特點，給出光伏并網(wǎng)逆變器采用的控制方法。系統(tǒng)有兩級能量變換單元，給出了兩級式并網(wǎng)逆變器的能量管理方法。l為抑制地球溫暖化自然能源發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能發(fā)電等應用日益廣泛。住宅用的太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池板的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。由于調(diào)整電壓的功率變換器安裝在室內(nèi)，因此需要功率變換器尺寸盡可能小。同時，為提高功率變換器的效率需功率變換器的功率器件能耗盡量低。針對太陽能發(fā)電的功率變換器開發(fā)出

21、光伏智能功率模塊(PVIPM)。l1）PV-IPM的特征l圖l為PM5086LA060內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。該模塊將單相輸出逆變電路、兩個斬波電路(有些模塊僅有一個斬波電路而有的則無斬波電路)及控制芯片集成在較小尺寸的封裝中。PVIPM采用CSTBTTM硅片技術(shù)實現(xiàn)低損耗。在IGBT硅片上還集成了用于準確監(jiān)測硅片結(jié)溫Tj的溫度傳感器。PV-IPM具有短路保護、控制電源欠電壓保護以及過溫保護功能。當PV-IPM檢測到過溫、負載 (橋臂)短路、控制電源欠電壓時，會立即關(guān)斷IGBT，同時產(chǎn)生并輸出故障信號FO。此外，內(nèi)部控制芯片能根據(jù)測得的集電極電流調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動電阻從而有效減小噪聲。研發(fā)出采用PVIPM光伏并網(wǎng)逆變器的PM5086LA060型樣機在此主要介紹其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制方法，以及樣機的實驗結(jié)果。l2）光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l 圖2示出光伏逆變器系統(tǒng)主電路拓撲。該結(jié)構(gòu)特點是：升壓單元由兩路獨立的升壓變換器組成，可在不同輸入電壓和輸入功率下運行，滿足用戶的不同需求。兩路輸入電池板可根據(jù)實際環(huán)境的需要確定不同的安裝方向，兩路獨立的升壓變換器各自輸出的能量在母線電容匯總后經(jīng)后級逆變器饋送給電網(wǎng)：若僅有一路光伏板輸入，可用任意一路作為前