IPM功率模块分析.docx
引言IPM智能功率模块是先进的混合集胜利率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以与爱护电路构成。由于采纳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爱护和短路爱护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压锁定爱护电路，因而系统的牢靠性得到进一步提高。IPM智能功率模块的性能特点IPM智能功率模块的优点运用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的成本。与一般的IGBT相比，在系统性能和牢靠性上有进一步的提高。山于IPM集成了驱勖和爱护电路，使得用户的产品设计变得相对简单，并能缩短开发周期；由-FIPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；全部的IPM均采纳同样的标准化与逻辑电平限制电路相联的栅极限制接口，在产品系列扩充时无需另行设计电路ClPM在故障状况下的自爱护实力，也削减了器件在开发和运用中过战状况下的损坏机会。IPM智能功率模块平安工作区IPM内苴的栅极驱动电路和爱护电路可以对很多违反IGBT模块平安工作区(SOA)的运行模式加以爱护，智能功率模块的开关平安工作区和短路平安工作区定义概述如下：开关平安工作区开关(关断)平安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，此外，最大工作电流受过流爱护电路的限制。依据这些限制条件，开关平安工作区可用图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Vee(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125C,限制电源电压在13.5V和16.5V之间，IPM将会平安工作。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K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。短路平安工作区图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(POn)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。限制电源电压在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运用的软关断。IPM智能功率模块的自爱护功能自爱护带点IPM有精良的内置爱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。内置爱护功能的框图如图3所示。假如IPM模块其中有爱护电路动作，IGBT栅极强动单元就会关断电流并输出一个故障信号(FO)oVCAUFcrtfMurBXRwU/H3>>11113IPM内置俣护功篦额圄限制电毒欠压供定内部限制电路由一个15V直流电源供电。假如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。假如小毛刺T扰时间小于规定的tdUV,则不影响限制电路工作，欠压爱护电路也将不工作。爱护后，要复原正常工作，电源电压必需超过欠压复位数值（UVr）II欠压爱护电路在限制电源上电和掉电期间都要保持工作。过熬爱护在能近IGBT芯片的绝缘基板上安装温度传感器。假如基板温度超出过热动作数值（OT）,IPM内部限制电路将截止栅极驱动，不影响限制输入信号，直到温度复原正常，从而爱护了功率器件。当温度回落至过热复位数值（OTr）以F，并且限制输入为高电平（关断状态），功率器件将接收下一个低电平（开通状态）输入信号并复原正常工作。过流生护假如流过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，过流爱护电路将不予处理。当检测出过电流时，IGBT将被软关断，同时输出个故障信号。受控的软关断能限制关断大电流而发生的浪涌电压C短路爱护假如负载发生短路而导致上下臂同时导通，IPM内置短路爱护电路将关断IGBT。假如流经IGBT的电流超出短路爱护动作数值（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采纳了实时电流限制电路(RTC)oSC动作时,实时电流限制电路干脆监测IGBT共动的末级电路，因此响应时间可以裁小到不足100nsoIPM智能功率模块的驱动电路设计卷动电踣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限制电源正侧的电阻拉高，把限制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，假如发生故障，开路集电极器件即行接通，故障输出脚从限制电源正端汲取电流。接口电路没计中布线很重要。为避开dv/dt噪声蠲合到限制电路，在布线中肯定要细致考虑：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C卷动电踣的原理图4是用于空调机变频限制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。开关限制信号和故障信号是通过隔离接11电路同系统限制器连接的。T1.P559的特点是开关速度高,每秒达IM次。T1.P521则具有电流传输比(CTR)大的特点，CTR值达200,图中的R508是一个匕拉电阻，它是确保在IPM智能功率模块没彳故障时VFO的输出为高电平。在运用IPM的设计中，4路15V电源的质Ia要求比较高，波动范围为15V±10%,否则会影响IPM工作的牢靠性。而隔高光耦的选择也非常重要，电流传输比(CTR)应在100200之间，隔离光耦的输入端是TT1.电平，其输入电流应设定为810mA。若设计不当，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上下桥瞥同时导通，软件设计时,在上卜桥督导通上设有死区时间(即互锁时间)。若硬件设计不当，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。IK动电路印刷电路板的设计驱动电路印刷线路板丝印而见图5。IPM智能功率模块的驱动电路印刷电路板采纳带金属化孔的双面PCB板制作，在设计中留意考虑以下三点：2国5驱动电急卬喇线路板丝印面朋1、不应把因IPM开关时简单引起电位改变的走线布得太近，因为高的dv/dt会通过寄生电容耦合噪声；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,因为长的走线简单拾取电路其它部分的噪声。3、电源上用的滤波赛片电容应尽盘能近相应的IPM引脚,在本设计中这四个电容(C505C508)选用的是低感退描电容，并干脆焊接在IPM相应的引脚上。带静电的人体或其它过大的电压施加到槽-源（或放射极）上可能毁坏芯片。抗静电的基本措施就是H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，烙铁温度应限制在330C350C温度范闱内，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，举荐在工作台和四周的地板上铺放导电读，井将之接地。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技术的发展，早日开发出性价比更高的智能功率模块。
