关于TPD17B1型110V控制电源柜三菱IPM模块的外围接口电路的设计

-1-关于TPD17B1型110V控制电源柜三菱IPM模块的外围接口电路的设计岳鹏飞（畅通电子有限公司技术开发部030009太原）摘要TPD17B1型110V控制电源柜，功率单元核心变流元件采用了三菱公司PM200DSA120智能功率模块。针对工业变频、交流伺服等市场领域对功率模块的需求，该文简述了IPM模块的基本工作特性，然后以PM200DSA120智能功率模块为例，详细介绍了IPM模块外围接口电路的设计，并提出了IPM过流保护的一种设计方法。最后通过TPD17B1型110V控制电源柜，高频开关电源模块的项目实例，表明了该接口电路设计具有结构简单、抗干扰性强、运行可靠等优点。关键词：高频开关电源模块智能功率模块驱动保护1前言韶山7E型电力机车是根据我国客运提速的需要和铁道部铁科技函【2002】24号下达的《韶山7E型客运电力机车设计任务书》的通知要求，在中国北方机车车辆工业集团公司统一组织下，由集团电力牵引研发中心牵头，大同机车厂、大连机-2-车车辆厂和株洲电力机车研究所共同努力、分工协作联合开发的新型持续功率4800Kw,最高时速170km/h干线客运电力机车。在2002年10月通过科技成果鉴定。SS7E型电力机车总共145台，SS7D型电力机车59台，内部均采用模块化控制电源柜。近年SS7E、SS7D电力机车进入大修期，按修程的要求需要进行机车的相关检修工作。为提高公司整体检修实力，同时也为增加公司检修产品的范围，公司于2012年6月进行了TPD17B1型控制电源柜的大修检修开发工作。TPD17B1型控制电源柜采用了目前较为先进的高频开关电源变流技术，其中核心变流器件采用了三菱公司先进的智能模块PM200DSA120。现针对IPM智能模块的内部结构和特性，外围驱动保护电路展开研究和设计，并提供一种IPM过流保护功能硬件电流的设计方法。2IPM的基本工作特性2.1IPM的结构IPM由高速、低功率IGBT、优选的门极驱动器及保护电路构成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IPM具有GTR和MOSFET的优点。IPM采用了许多在IGBT模块已经得到验证的功率模块隔离封装技术。由于采用了两种不同的封装技术，使得内置栅极驱动电路和保护电路能适用的电流范围很宽，同时使造价维持在合理水平。小功率器件(15～50)A、600V和(10～15)A、-3-1200V采用一种多层环氧树脂粘合绝缘技术，而中大功率器件采用陶瓷绝缘技术[2]。根据内部功率电路配置情况，IPM有4种形式：单管封装(H)、双管封装(D)、六合一封装(C)和七合一封装(R)，如图1所示。图1IPM的电路结构2.2IPM的内部功能机制IPM内置栅极驱动和保护电路。保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护和短路保护，一些六管封装的C型模块还具有过流保护功能。当其中任一种保护功能动作时，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流。并输出一个故障信号。以7管封装的R型IPM为例。其内部功能框图如图2所示。-4-图2IPM的功能框图2.2.1IPM的各种保护功能具体如下：控制电压欠压保护(UV)(50—300)A／600V、(25—150)A／1200VIPM需要4路隔离的+15V供电，控制电源电压降低时，会导致IGBT的Vce(sat)功耗增加．为防止热损坏，当检测到控制电源电压低于12．5V时．发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。2.2.2过温保护(OT)在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，-5-所以过温保护可直接检测IGBT单元的硅片温度，当IPM温度传感器测出基板的温度超过设定值(OT动作电平)时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。2.2.3短路保护(SC)若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流(一般为IGBT额定工作电流的2倍)，且短路时间超过妇(sc)，则发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di／dt，大多数IPM用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)，减小响应时间，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。2.2.4过流保护(OC)有些六管封装的C型IPM具有过流保护功能。若流过IGBT的电流值超过过流动作电流值，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟短路保护一样，为避免发生过大的di／dt，大多数IPM采用两级关断模式。当IPM发生UV、OT、SC、OC中任一故障时。其故障输出信号持续时间为1．8ms(一般SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM；故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如-6-果Tfo结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作。因此，仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的保护，要使系统真正安全、可靠运行。还需要辅助的外围保护电路。3IPM的外围驱动电路设计IPM外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路间的接口。良好的外部驱动电路对以IPM构成的系统运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。由IPM内部功能框图可见器件本身含有驱动电路。所以只要提供满足驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。但是，IPM对驱动电源的要求很严格：驱动电压范围为13．5V～16．5V，电压低于13．5VIPM将会误动作。甚至发生欠压保护：电压高于16．5V可能损坏内部部件：驱动信号频率为5Hz～20kHz，且需采用电气隔离装置，防止干扰：驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍(2xVces)；驱动电路输出端的滤波电容不能太大。因为当寄生电容超过lOOpF时。噪声干扰将可能误触发内部驱动电路[2]。现以PM200DSA120为例，设计了IPM的一种典型外围驱动电路，如图3所示。其中，RAS150H110C24是POWR公司中间电压电源模块和WRF2415P-6W是金升阳公司高隔离电压电源模-7-块在输入端DC110+加60～160V的直流电压通过RAS150H-110C24即可在输出端得到一路24V的直流电压，为WRF-2415P-6W提供输入电压，WRF2415P-6W产生IPM所需的2路相互隔离的+15V电压：IPM的控制输入信号经高速光耦送到IPM的输入端，两路输入信号的电路结构均相同，所以图中只画出其中的一路输入信号；高速光耦起到电气隔离IPM与外部电路的作用。IPM的控制输入信号和故障输出信号均需通过光耦传输。图3IPM驱动电路和外围隔离电路在应用要求不高的场合也可以用常用的整流电路得到20V直流电压取代RAS150H-110C24作为WRF2415P-6W的输入端，也可以采用整流电路直接得到2路隔离+15V电压，但效果不如图3所示的方案。4IPM的保护电路设计-8-因IPM自身提供的FO信号不能保持，为避免IPM保护动作的反复性。一个完整的系统不能只依靠IPM的内部保护机制，还需要辅助外围电路的保护，外围辅助电路将内部提供的FO信号转换为封锁IPM的控制信号，关断IPM输入信号，实现保护。可通过硬件方式实现。4.1IPM保护电路软件的实现IPM驱动电源由独立的两路+15V电压供电，隔离电压达到3000V，绝缘电路大于500MΩ。两路驱动电源保护电路完全一致，现以其中一路展开分析。MC33161电源管理芯片对IPM驱动电源进行监测，当输出电压超过设计值13．5V～16．5V范围时，通过高压隔离光耦SFH615-3将故障信号输出到处理器ATtiny13-20SI的PB3端口，迅速将两路IPM驱动电源关闭实现对IPM的保护。经过270ms后重新开启驱动电源，若3.5S秒内两路输出电压均正常则进入正常工作模式;若在3.5S内再次发生故障处理器将永久关闭IPM驱动电源。PWM形成处理器经过综合判断后可对ATtiny13-20SI处理器进行自动复位，使IPM驱动电源重新工作。当IPM故障时，自身提供的FO信号通过光耦4N25离后输入到处理器ATtiny13-20SI的BP0端口。当连续监测到FO信号后，通过BP1经低速光耦隔离后封锁PWM形成电路，从而达到关断IPM，实现保护。待故障解除后，控制器发送故障清除指令解除处理器ATtiny13-20SI的BP1的封锁，开启PWM使IPM-9-正常工作。Vref1Iput12Iput23GND4Output25Output16mode7Vcc8U3MC33161D15KR5182ΩR91.27KR12500KR4IPMGNDAIPM+15VA100nFC38100nFC33D9MMSZ5232BT1G100nFC34U5SFH615A-310KR105V15VGNDPB3750ΩR6750ΩR11100nFC354.7KR284.7KR30104C75104C8410μFC83PB3PB4PB2249ΩR2930KR3430KR37104C7430KR33D17MMSD4148T1GRSTQ1MMBT2222AQ2MMBT2222A104C82PB0PB15V15VGNDU14SFH615A-3249ΩR36Vin-CNTU13SFH615A-3PB1249ΩR31249ΩR35GZBJD18KPT-2012IDPB21KR32BJGNDPB51PB32PB43GND4PB05PB16PB27VCC8U11ATtiny13-20SI图4IPM软件保护电路4.2IPM保护电路的硬件实现IPM有故障时，故障输出端将输出低电平，通过低速光耦隔离，到达硬件电路，关断PWM输出，从而实现保护IPM的目的。具体硬件连接方式如图5所示。PWM信号经三态收发器74HC245后，送至高速光耦HCPL4504，经光耦隔离放大后接IPM内部驱动电路控制IGBT工作。IPM的2个故障信号(包括上臂1管的故障输出端子和下臂管的1个故障输出端子)经低速光耦隔离后，再经与非门送至JK触发器，从而达到锁存故障信号的目的。锁存器的负端输出信号接收发器74HC245的使能端，当IPM有故障时。JK触发器的J端子为低电平，其负输-10-出端就为高电平，收发器的输出被置为高阻态，封锁各个IPM的控制信号。关断IPM，实现保护。待故障解除后，控制器发送故障清除信号FAULT_CLR至JK触发器，即可重新使能74HC245，使IPM正常工作。由于本保护电路是基于PM200DSA120设计的，该IPM模块发生短路保护的动作电流值为400A，实际应用中，IPM工作时可能达不到400A就应该封锁IPM的控制输入信号，所以本电路还设计了过流保护功能。如图5中的虚线框1内所示，在IPM的负母线端串接一霍尔电流元件来检测母线上的电流．其输出量为电压．当母线上的电流超过实际应用中的动作值时，比较器输出高电平，再串接一反相器，当发生过流时，OC端也输出低电平，与IPM的2个故障信号与非后一起送JK触发器的输入端。图5IPM保护电路5结论和建议（1）利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，软件-11-保护不需要增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响；硬件保护则反应迅速，工作可靠。应用中软件与硬件结合的方法能更好的弥补IPM自身保护的不足，提高系统的可靠性。（2）实际运行和调试结果表明，IPM供电电源稳定，系统抗干扰性强，运行良好。文中介绍的驱动和保护电路满足IPM工作要求，利用IPM自身的故障输出信号封锁IPM的控制信号输入可以方便、有效地保护器件，此设计方法有着良好的应用前景。参考文献：[1]李广海，叶勇，蒋静坪．IPM驱动和保护电路的研究[J]．自动化与仪器仪表，2003，(12)：43—45．[2]MitsubishiElectriclgbtandIntelligentPowerModulesApplicatio