智能功率模块IPM

智能功率模块IPM小组成员：李海燕朱莉莉夏漪婷金中亚顾静静黄银萍本段介绍了智能功率模块IPM的特点和特性,分析了IPM在应用设计过程中应考虑的诸多问题及解决方法。把MOS管技术引入功率半导体器件的思想开创了革命性的器件:绝缘栅双极晶体管IGBT。随着IGBT在工作频率为20KHZ的硬开关及更高的软开关中的应用,它已经代替了MOSFET和GTR,成为最主要的电力电子器件。IGBT的发展使集外围电路内置于一块功率模块的智能功率IPM脱颖而出。IPM内含栅极驱动、短路保护、过流保护、过热保护和欠压锁定等功能,已被广泛用于无噪声逆变器,低噪声UPS系统和伺服控制器等设备上。IPM使产品的体积减小,缩短了开发时间,简化了开发步骤。一、IPM的原理1、IPM的特点1.1、IPM的构成智能功率模块IPM(IntelligentPowrModule)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可以IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件,并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。1.2、IPM的优点(1)开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型,而且驱动电路紧靠IGBT芯片,驱动延时小,所以IPM开关速度快,损耗小。(2)低功耗。IPM内部的IGBT导通压降低,开关速度快,故IPM功耗小。(3)快速的过流保护。IPM实时检测IGBT电流,当发生严重过载或直接短路时,IGBT将被软关断,同时送出一个故障信号。(4)过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器,当基板过热时,IPM内部控制电路将截止栅级驱动,不响应输入控制信号。(5)桥臂对管互锁。在串联的桥臂上,上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。(6)抗干扰能力强。优化的门级驱动与IGBT集成,布局合理,无外部驱动线。(7)驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源(一般为15V)就会造成驱动能力不够,增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源,当低于一定值超过10μs时,将截止驱动信号。(8)IPM内藏相关的外围电路。缩短开发了时间。(9)无须采取防静电措施。(10)大大减少了元件数目。体积相应小。2、IPM参数和特性3、控制电路电源3.1、IPM控制功率消耗控制电路电流ID与开关频率FC有关;600VIPM控制电流(mA)3.2、布线指南六个或七个IGBT单元的IPM四组隔离的供电电源,两单元或一单元的则在三相大功率中需要六组隔离电源,以避免噪声。IPM的控制电源端子应接一个至少10μF的退耦电容,该电容帮助过滤共模噪声并提供IPM栅极电路所须电流。4、接口电路4.1、接口电路的要求低电平开通，高电平截止。4.2、布线指南接口电路设计主要考虑的是dv/dt噪声耦合问题。不应把PCB板上走线布的太过靠近,否则开关使电位发生变化。必须屏蔽！推荐光耦:tPLH,tPHL0.8μs;CMR10kV/μs。通常型号:HCPL4503,HCPL4504,PS2041(NEC),在光耦合端接一个0.1μF的退耦电容。控制端上拉电阻应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声,但又要足够可靠地控制IPM。低速光耦可用于故障输出端和制动输入端。4.3、接口电路的连接把接口直接做在PCB板上可靠近模块输入脚以减少噪声，如图1所示。4.4、FO输出信号的使用当TFO=1.8ms(典型值)有效时,IPM会关断开关并使输入无效。在FO结束后,自动复位,同时使输入有效。在FO输出时系统必须在1.8ms内使PWM信号无效,等故障排除后方可重新有效。必须避免重复故障而导致结温升高损坏IPM。系统可通过检测tFO时间长度来确定是过流还是短路引起(1.8ms),过热时间会长一些。过热复位一般要等基板冷却到OTR以下需要几十秒钟。5、结语由于IPM均采用具有标准化的逻辑电平的栅控接口,使IPM很方便与控制电路板相连接。IPM在故障情况下的自保护能力,降低了器件在开发和使用中损坏的机会,大大提高了整机的可靠性,被广泛地应用于工业,军事等电力电子系统。二、IPM的应用1、IPM模块在变频器中的应用随着电力电子技术、计算机技术和超大规模集成电路技术的快速发展，变频调速系统趋向数字化和高集成度方向发展。变频器的功率器件也经历了从SCR,GTO到IGBT的发展历程，控制方式也从最初的v/f控制，发展到矢量控制，直接转矩控制。变频家电等控制系统中，功率驱动器件是必不可少的，智能功率模（IPM）就是一个典型的高度集成的功率驱动器件，然而，电力变换技术的进步和电力变换器的广泛应用也带来了很多弊端，其产生的公害－电磁干扰以及谐波污染已成为世人关注的社会问题。而双PWM变频调速技术以其可以实现电机的四象限运行、能量转换效率高、能量能双向流动，尤其是能方便地实现电网侧输入功率因数近似为1，消除了谐波污染等特点已成为研究的一个热点。1）在变频调速控制器中的应用单电源IPM模块应用非常广泛，尤其在中小功率变频系统中，如工业洗衣机控制用变频器，纺织机控制用储纬器，注塑机控制系统中等，家电行业应用也非常广泛，如变频空调、洗衣机、冰箱等。下面以IPM模块在小功率变频器中的实际使用情况，具体说明单电源ipm在系统中的应用。单电源IPM模块在系统中应用示意图如图4所示。由于系统中使用了单电源IPM模块，即只需要给IPM模块提供一路电源，整个系统可以共一个参考地，这样可以减少用于电气隔离用的光耦，包括6路IPM驱动信号，故障检测信号。另外，电压、电流检测也可以方便地通过检测直流侧电压和n线电流，而不需要电压互感器和电流互感器，从而大大降低系统的硬件成本。2）在双PWM变频器中的应用双PWM变频器中整流及逆变部分均需要采用六个IGBT开关管进行控制，如果采用单独的IGBT开关管再加上续流二极管，势必会使得变频器的体积增大。而采用IPM智能模块就可以很方便的节约成本和减少体积。文中所介绍的IPM智能模块是富士公司型号为6MBP20RH060的IPM智能模块，它内部具有低功耗、软开关、高性能及拥有过热保护的高可靠性IGBT。内置有过电流保护、短路保护、控制电压欠压保护、过热保护及外部输出警报端口。用这样的模块作为双PWM变频器的功率器件，大大简化了硬件电路的设计，缩小了电源体积，简化了接线，大大缩短了开发周期，更主要的是，它提高了系统的安全性和可靠性。结构原理基于IPM的双PWM变频调速系统框图双PWM变频调速系统以其优越的性能越来越受关注，但整流部分由原先的整流二极管替换成可控器件势必增加了成本，然而IPM智能模块的出现不仅为降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保护性能为设计提供了极大的方便。因此采用IPM智能模块设计双PWM变频调速系统具有电路设计简单、保护措施完善、体积小等特点，具有很好的发展前景。影响整个系统的性能。2、智能功率模块在电动汽车中的应用节能和可替代能源的探索已成为当今工业发展的主题．而且这一趋势还将持续。风能、太阳能和电动汽车近年来得到蓬勃发展，而电力电子器件则成为这些领域的热点。系统硬件配置以TMS320LF2407为核心的硬件控制系统结构如图2所示，主要由以下几部分构成:控制器核心TMS320LF2407，外围接口电路、功率开关模块及其驱动，DC-DC变换模块。电动汽车的种类有很多，包括纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车等。纯电动汽车是用电代替内燃机驱动的汽车。其电机工作的能源来自于蓄电池。图6示出其应用框图。高度集成的技术使得IPM能够显著简化整个PWM变频器的设计。变频器开发工程师只需设计简单的绝缘接口和4个或者6个IPM供电电源电路。简化的外围电路能够很好的满足电动汽车变频器对于单位体积内功率密度高的要求。当IPM快速关断时．储存在杂散电感中的能量耗散在开关器件上。从而在开关器件上会产生浪涌电压。浪涌电压的值直接与杂散电感值以及集电极电流关断变化率相关。因此。功率部分的换流电路设计必须尽可能地降低杂散电感。电动汽车变频器通常采用叠层母线排可有效降低杂散电感。即使IPM在直流母线电压很高时发生短路关断，浪涌过电压也不会超过模块的耐压极限。图7示出逆变器在发生相间短路时的IPM内部IGBT单元的测试波形。电动汽车通常采用水冷散热。为提高冷却能力，水冷的水路应设计在IPM内的IGBT硅片正下方。此外，必须确保这些水路的密封以避免泄露，并选择合适的位置以消除管道与安装孔之间的冲突。高效的散热系统能保证功率循环寿命和热循环寿命。3、IPM在雷达伺服系统中的应用智能功率模块(IPM)出现于上世纪九十年代,它通过采用先进的材料和工艺将功率单元、驱动单元、逻辑单元、传感单元和保护单元等集成于一体,这样不仅应用方便,更关键的是它提高了系统的可靠性,并缩小了体积。某些雷达系统在设计时要求体积小、重量轻和可靠性高,而采用常规的设计将难以达到这一要求,为此,我们采用智能功率模块来解决这个非常棘手的问题,并研制出无刷直流电动机驱动的高性能雷达伺系统。1）雷达伺服系统早期的雷达伺服系统中多采用普通直流电动机作为执行元件来完成对雷达天线的驱动控制。但是,普通直流电动机由于使用了电刷和机械换向器,因此在工作时会产生电火花干扰,且碳刷在一些环境中磨损快、寿命短,维护不便。而稀土永磁无刷直流电动机作为一种新型的驱动执行元件,采用了电子换向,因而具有可靠性高、寿命长、无电火花干扰的特点,它同时还具有低转速、大转矩、高精度等性能。目前,采用无刷直流电动机作为驱动执行元件的伺服系统在一些雷达系统中已经开始应用。采用无刷直流电动机作为驱动执行元件的雷达伺服系统原理框图如图1所示。2）无刷直流电动机及其控制①无刷直流电机稀土永磁无刷直流电机是一种新型的电动机,其相电势为梯形波,电枢电流为120度矩形波。它的基本构成包括电动机本体、控制器和位置传感器三部分,电机的三相定子绕组分别与作为功率电子开关的桥式主回路中相应的功率开关管连接。由于采用脉宽调制(PWM)控制,所以,电子开关电路由功率开关单元、位置传感器信号处理单元和脉宽调制器组成,用来控制电动机定子各相绕组通电的顺序与时间。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接,它将转子磁钢位置变换成电信号,经位置传感器信号处理单元处理后,去控制功率电子开关,使定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。随着各相绕组按一定顺序工作,在电机中就产生了旋转磁场,从而拖动永磁转子旋转。②无刷直流电动机的控制无刷直流电动机系统的原理框图如图2所示。它由脉宽调制器、无刷直流电动机的换相处理、驱动与保护及桥式逆变主回路几部分组成。本系统中驱动采用IPM,主回路为脉宽调制式变换器,即PWM变换器。PWM变换器分为不可逆和可逆两类,它在控制上又分为双极式和单极式两种方式。由于双极式可逆分为双极式和单极式两种方式。由于双极式可逆PWM运行,因此,在静、动态性能要求比较高的雷达伺服系统中应采用双极式可逆PWM变换器。3）IPM模块MSK4462及其应用一般说来,智能功率模块(IPM)包含有数字接口电路、驱动电路、功率器件、保护电路、内部DC--DC变换器等部分,是数模混合式大规模集成电路。事实上,智能功率模块是复杂分立器件的集成,它在原理上并没有增加新的功能。智能功率模块是微电子技术和电力电子技术相结合的产物,它是计算机与电气设备之间的关键接口。IPM模块MSK4462是一种无刷直流电动机的控制驱动功率模块,用IPM模块MSK4462可方便地构成如图1所示的无刷直流电动机驱动的高性能雷达伺服系统,该系统中电机换相信号由MSK4462内部的换相逻辑电路产生,而IPM模块MSK4462外加补偿网络即可构成电流PI调节器,以实现电流的闭环控制。考虑到超调小、电流跟随性好等性能,电流环可按典型型系统校正。由IPM模块MSK4462构成的上述雷达伺服系统具有体