IPM驱动和保护电路的研究

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了IPM的基本工作特性和常用IPM驱动和保护电路的设计方法,并给出了一个驱动和保护电路的设计实例。 关键词:IGBT(绝缘栅双极性晶体管) IPM(智能功率模块) PIC(功率集成电路) 智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写,是一种先进的功率开关器件,具有GTR(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、 高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间,也大大增强了系统的可靠性,适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC),在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。本文以三菱公司PM100DSA120为例,介绍IPM的基本特性,然后着重介绍IPM的驱动和保护电路的设计。 1 IPM的基本工作特性 1.1 IPM的结构 IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成,如图1所示。其中,IGBT是GTR和MOSFET的复合,由MOSFET驱动GTR,因而IGBT具有两者的优点。 IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类:H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统,中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。 1.2 IPM内部功能机制 IPM的功能框图如图2所示。IPM内置驱动和保护电路,隔离接口电路需用户自己设计。 IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠,缩短了系统开发时间,也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比,IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。 保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作,IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能具体如下: (1)控制电压欠压保护(UV):IPM使用单一的+15V供电,若供电电压低于12.5V,且时间超过toff=10ms,发生欠压保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。 (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,当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时,发生过温保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。 (3)过流保护(OC):若流过IGBT的电流值超过过流动作电流,且时间超过toff,则发生过流保护,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采用两级关断模式,过流保护和短路保护操作可参见图3。其中,VG为内部门极驱动电压,ISC为短路电流值,IOC为过流电流值,IC为集电极电流,IFO为故障输出电流。 (4)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,则立刻发生短路保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。跟过流保护一样,为避免发生过大的di/dt,大多数IPM采用两级关断模式。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),使响应时间小于100ns,从而有效抑制了电流和功率峰值,提高了保护效果。 当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时,其故障输出信号持续时间tFO为1.8ms(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自我保护。要使系统真正安全、可靠运行,需要辅助的外围保护电路。 2 IPM驱动电路的设计 驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口,良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。 2.1 IGBT的分立驱动电路的设计 IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题,设计时应注意以下几点:①IGBT栅极耐压一般在%26;#177;20V左右,因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护,通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin,从而影响开关速度,后者的缺陷是将减小输入阻抗,增大驱动电流,使用时应根据需要取舍。图4为IGBT栅极保护原理图,其中,RG、DZ、Cin分别为等效栅极阻抗、稳压管和等效输入电容。②尽管IGBT所需驱动功率很小,但由于MOSFET存在输入电容Cin,开关过程中需要对电容充放电,因此驱动电路的输出电流应足够大,这一点设计者往往忽略。假定开通驱动时,在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电,则驱动电流为Igt=CinUgs/tr,其中可取tr=2.2RCin,R为输入回路电阻。③为可靠关闭IGBT, 防止擎住现象, 要给栅极加一负偏压,因此最好采用双电源供电。 2.2 IGBT集成式驱动电路 IGBT的分立式驱动电路中分立元件多,结构复杂,保护功能比较完善的分立电路就更加复杂,可靠性和性能都比较差,因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。 2.3 IPM驱动电路设计 现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM,内部封装了两个IGBT,工作在1200V/100A以下,功率器件的开关频率最大为20kHz。由于IPM内置了驱动电路,与IGBT驱动电路设计相比,外围驱动电路的设计比较方便,只要能提供15V直流电压即可。 但是IPM对驱动电路输出电压的要求很严格?熏具体为:①驱动电压范围为15V%26;#177;10%?熏电压低于13.5V将发生欠压保护,电压高于16.5V将可能损坏内部部件。②驱动电压相互隔离,以避免地线噪声干扰。③驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的两倍(2Vces)。④驱动电流可以参阅器件给出的20kHz驱动电流要求,根据实际的开关频率加以修正。⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大,这是因为当寄生电容超过100pF时,噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。 这里介绍一种可获得高质量15V电源的方案。该方案驱动电路不仅结构紧凑、简单,而且抗干扰能力强,典型电路如图5所示。 图5 IPM驱动电路和外围隔离电路 图中各器件的类型和参数已经标出,其中,M57140-01和M57120L是三菱公司为其IPM系列产品专门配置的电压变换模块。在M57120L的输入端加一路113V~400V的直流电压可以在输出端得到一路20V的直流电压,在M57140-01的输入端加一路18V~22V的直流电压,输出端可以得到4路相互隔离的15V电压,方便地为IPM供电;HCPL4504和PC817是高速光耦,起到电气隔离IPM与外部电路的作用,IPM的控制信号Cin和故障输出信号FO通过光耦传输。 在应用要求不高的场合也可以用常用的整流电路得到的20V直流电压取代M57120作为M57140-01的输入端,也可以采用整流电路直接得到的15V直流电压为PM100DSA120供电,但效果不如图5所示的方案,实践应用中证明了这一点。 3 IPM保护电路的设计 完善的系统保护不能只依靠IPM的内部保护机制,需要辅助外围的保护电路,这可以通过硬件的方式实现,也可以通过软件的方式实现。 3.1 IPM保护电路的硬件实现 实现方式很多,列举两个例子说明。 方案一 PWM接口电路前置74HC245、74HC244等带控制端的三态收发器,如图6所示。IPM的控制信号经过74HC245的输入、74HC245的输出后送至IPM接口电路;各个IPM的故障输出信号经光耦隔离输出后得到高电平FO,送入或门,或门输出经过R-C低通滤波器后,送入74HC245的使能端OE。IPM正常工作时,或门输出为低电平,74HC245选通;IPM故障报警时,或门输出为高电平,74HC245所有输出置为高阻,封锁各个IPM的控制信号,关断IPM,实现了保护功能。 方案二 PWM接口电路前置一级带控制端的光耦,如6N137。方案二的原理与方案一类似,只是由于高电平使能控光耦合6N137,或门换成了或非门,其输出经过R-C低通滤波器后,送入了可控光耦合6N137的光耦使能端VE,但同样在IPM故障报警时封锁IPM的控制信号通道,实现了保护功能。 需要注意的是,为缩短故障响应时间,R-C低通滤波器时间常数应该小。两级光耦延长了响应时间,应选用高速光耦。 以上两种方案都是利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道,因而弥补了IPM自身保护的不足,有效地保护了器件。 3.2 IPM保护电路的软件实现 软件的基本思路是:IPM故障报警时,故障输出信号送到控制器处理,处理器确认后,利用软件关断IPM的控制信号,从而达到保护目的。 综上所述,软件保护不需增加硬件,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。实践应用中软件与硬件结合的保护方式能更好地提高系统的可靠性。 4 IPM的驱动和保护电路的设计实例 笔者在DSP控制开关磁阻电机的项目中,选用IPM作为功率变换器的主开关器件,控制器采用了德州公司的TMS320F240 数字信号处理器,功率驱动电路的输入(即IPM的控制信号)由TMS320F240内含的全比较单元相对应的PWM1~PWM4产生。 TMS320F240的事件管理器模块包含一个功率驱动保护引脚(PDPINT),当该引脚被拉低时,所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态,因此PDPINT可用来为监控程序提供电机驱动的异常情况,并实现故障保护。 驱动电路的设计如图4所示。保护电路选用软件保护,四个功率器件IPM的故障信号经过光耦隔离,送至或非门CD4078,其输出经过低通阻容滤波器连接到DSP的PDPINT引脚。当IPM故障报警时,PDPINT引脚被拉为低电平,DSP内部定时器立即停止工作,所有PWM输出呈高阻态,封锁IPM控制信号;同时产生中断信号,通知DSP有故障情况发生,在中断服务程序中判断发生何种故障,并显示故障代码。 图7为负载电流为8A、SRM额定转速运行时IPM的15V驱动电压波形。 实际运行效果显示,IPM供电电源稳定,IPM运行良好,保护电路可以可靠地保护功率器件。 IPM正常工作对电源的要求相当高,文中介绍的驱动电路可以很好地满足IPM的工作要求;IPM自身的保护电路不具有保持性,完善的系统保护必须辅助外围保护电路;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。
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