IPM(智能功率模块)应用手册

三菱電機IPM（智能功率模块）应用手册IntelligentPowerModulesApplicationManual三菱电机集团上海摄阳国际贸易有限公司T：021-64326698013817693913F：021-64325313顾海洋（工程师）@elong.com上海市漕宝路80号光大会展中心D座2306室目录1．引言…………………………………………………………….52．IPM（智能功率模块）的一般认识……………………………52.1.功率电路之设计…………………………………………………………5a.关断浪涌电压b.续流二极管恢复浪涌c.接地回路d.减小功率电路之电感2.2吸收电路之设计……………………………………..6a.吸收电路的类型b.吸收电感的作用c.母线电感的作用d.功率电路和吸收电路设计的建议2.3功耗设计………………………………………………..8a.功耗的估算b.VVVF变频器功耗的计算c.平均结温的估算d.瞬态温升的估算e.散热器之安装3.IPM的前身-IGBT模块的使用……………………………………113.1.IGBT模块的结构和工作原理…………………………113.2.IGBT模块的额定值和特性………………………….11a.最大额定值b.电气特性c.热阻3.3.特性曲线………………………………………………12a.输出特性b.饱和特性c.开关特性3.4栅极驱动及模块的保护………………………………..132a.驱动电压b.串联栅极电阻（RG）c.栅极驱动所须功率要求d.栅极驱动布线注意e.dv/dt保护f.短路保护4.IPM智能功率模块的使用…………………………………………164.1.IPM的结构………………………………………….16a.多层环氧树脂工艺b.铜箔直接铸接工艺c.IPM的优点4.2.IPM额定值和特性…………………………………..19a.最大额定值b.热阻c.电气特性d.推荐工作条件4.3.安全工作区…………………………………………..21a.开关安全工作区b.短路安全工作区4.4.IPM的保护功能……………………………………..21a.自保护特性b.控制电源的欠压锁定（UV）c.过热保护（OT）d.过流保护（OC）e.短路保护（SC）4.5.IPM的选用…………………………………………244.6.控制电路电源a.IPM的控制电源功率消耗b.布线指南c.电路结构4.7.IPM接口电路……………………………………..25a.接口电路要求b.布线c.内部输入输出电路d.连接接口电路e.死区时间（Td）3目录f.故障信号FO输出的使用g.IPM的一般应用h.一般变频系统的结构多功能控制板IPMMCU41．引言: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。她正在影响着工业，消费，军事等电力电子系统。随着IGBT的工作频率在20KHZ的硬开关及更高的软开关应用中，我们已然把她代替了MOSFET和GTR。功率器件的应用IGBT的发展使集外围电路内置于一块功率模块的IPM脱颖而出。IPM已被用于无噪声逆变器，低噪声UPS系统和伺服控制器等设备上。IPM使用户产品的体积减小，缩短上市时间，简化开发步骤。因为她内含：栅极驱动，短路保护，过流保护，过热保护和欠压锁定。2IPM（智能功率模块）的一般认识2.1功率电路之设计a.关断浪涌关断浪涌电压是在关断瞬间流过IGBT的电流时产生的瞬态高压。1.2.图1是半桥感性负载电路，图2是它的波形。5下面的IGBT由一组脉冲来控制导通和关断。每当下臂导通电流都将增加。当该IGBT关断时，负载电流不能立即变化，由上臂续流二极管导通。如果电路是理想的（不存在寄生电感），关断时下臂上的电压将上升，直到比母线电压高出一个压降值。上臂的续流二极管随后导通以防止电压进一步上升。但实际电路中必有寄生电感（Lp），且增加的电压VP=LP×di/dt,这个电压与电源电源电压叠加并以浪涌形式加在下臂IGBT的两端，在极端情况下可能因超过VCES而损坏。b.续流二极管的恢复浪涌当续流二极管恢复时会产生与关断浪涌电压相似的浪涌电压。当下臂IGBT开通时，续流管电流转移到下臂IGBT而下降。而当恢复时，线路中的寄生电感产生一个浪涌电压LP×di/dt.c.接地回路当控制信号（栅极驱动）与主电流共用一个电流路径时会导致接地回路。由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生电感的功率回路产生感应电压，而导致可能感应到栅极把本来截止的IGBT导通。下图描述了避免接地回路的噪声。图A：这种电路适合于小电流六合一封装的模块。图B：这种电路适合于200A额定电流的模块。（下臂栅极电源独立）图C：超过300A的模块推荐使用。d.减小功率电路之电感浪涌电压与寄生电感LP成正比。所以在大电流模块的使用中更要降低回路电感。迭层母线结构横截面图（极板放大以示细节）2.2.吸收电路之设计吸收电路用以控制关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。6大电流三相变频器主回路布局a.吸收电路的类型：图A：由一个低感电容跨接在C1E2间，六合一的模块接在PN之间。图B：该二极管箝住瞬变电压，抑制谐振。RC时间常数应为开关周期的约为1/3（τ=T/3=1/3f）.图C：大电流应用电路。图D：能有效控制瞬变电压，寄生震荡及噪音。不过高频应用欠佳。b.吸收电感的作用：此图中ΔV=LS×di/dt（关断电压波形）LS=吸收电路的寄生电感；di/dt=关断瞬间或恢复瞬间的di/dt由此可见大功率IGBT电路必须采用低感吸收电路。c.母线电感的作用：设初试浪涌后随着吸收电容的充电，第二次瞬间电压为ΔV2则：1/2LPI²=1/2CΔV2²（P=母线电感，I=工作电流，C=吸收电容；ΔV2=吸收电容峰值；）则C=LPI²/ΔV2²7d.关于功率电路和吸收电路的几点建议因为电容量和母线电感成正比，所以降低母线电感就能减少吸收电容。双单元模块吸收电路六，七单元模块吸收电路推荐吸收电路取值表2.3.功耗设计a.功耗估算通态损耗：通态总功耗=饱和压降*通态电流。在感性负载中，可以近似的通过VFM*续流二极管平均电流值来计算续流二极管功耗。开关功耗：当PWM信号频率高于5KHZ时功耗会显著增加。得到最精确的方法是测量IC和VCE的波形。将此波形逐点相乘即得到功耗的瞬时波形，此波形是以焦耳/脉冲为单位的开关能量，该面积用作图积分来计算。总开关功耗是开通及关断的功耗之和。平均功耗是单脉冲开关能量与8PWM频率相乘得到的。即：PSW=FPWM×（ESW（on）+ESW（OFF））b.VVVF变频器功耗计算在变频器应用中IGBT的电流和占空比经常变化，下面公式可以应用时估算。通用变频器主电路及输出波形A．IGBT的功耗B.每一个IGBT开关的损耗C．每一个IGBT的总功耗D．二极管功耗E．每一臂的功耗符号注释：ESW(on)：T=125ºC;峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT开通能量。ESW（off）：T=125ºC；峰值电流ICP下，每个脉冲对应的IGBT关断能量。FSW：变频器每臂的PWM开关频率（通常FSW=FC）。ICP：正弦输出的电流峰值。VCE（sat）:T=125ºC;峰值电流ICP下，IGBT的饱和电压。VEC：IEP情况下，续流二极管的正向压降。D：PWM信号占空比。θ：输出电压与电流间的相位角。（功率因数=COSθ）c.平均结温的估算IGBT的最大结温是150ºC，在任何情况下都不能超过该值。Rth可以在数据手册中查到。9Rth(j-c)=标定的结壳热阻。TJ=半导体结温。PT=器件的总平均功耗（PSW+PSS）TC=模块的基板温度。热计算方法d.瞬态结温升的计算瞬态热阻特性（IGBT部分）瞬态热阻特性（FWD部分）e.散热器的安装请在散热器表面使用导热膏脂。安装时应受力均匀，避免用力过度而损坏，按下图顺序操作。推荐导热膏制造商型号ShinetsuG746DowcorningDC340PowerDeviceincTherm.-strate103．IGBT的使用3.1IGBT模块的结构和工作原理GTRMOSFETIGBTIGBT是通过栅极驱动电压来控制的开关晶体管，工作原理同MOSFET相似，区别在于IGBT是电导调制来降低通态损耗。3.2.IGBT模块的额定值和特性a.最大额定值额定值是IGBT，IPM模块运行的绝对保证,所谓最大值是器件的极值,在任何情况下都不能超过其范围.符号参数定义VCES集电发射极阻断电压栅极-发射极短路时,允许的断态集-发极最高电压.VGES栅极-发射极电压集-发短路时,允许的栅极-发射极最高电压.IC集电极电流最大直流电流11ICM集电极峰值电流集电极极值IEFWD电流最大允许FWD直流电流IEM续流二极管峰值电流最大允许FWD峰值电流PC集电极功耗TC=25度的情况下,每个IGBT开关最大也许的功率损耗.Tj结温工作期间IGBT的结温Tstg储存温度无电源供应下的允许温度Viso绝缘电压基片与模块间最大绝缘电压.a.电气特性ICES集电极-发射极漏电流VCE=VCES和栅极-发射极短路条件下的ICVGE(th)栅极-发射极阈值电压VCE=10V的条件下,栅极发射极电压.IGES栅极-发射极漏电流VGE=VGES和集电极-发射极短路条件下IGVCE(sat)集电极-发射极饱和压降IGBT的通态电压Cies输入电容集电极-发射极短路条件下栅极-发射极电容Coes输出电容栅极-发射极短路条件下集电极-发射极电容QG栅极总电荷VC=0.5或0.6Vces;额定IC；VGE=15V条件下的栅极总电荷。Id(on)开通延迟时间开关时间tr(on)开通上升时间开关时间Tf关断下降时间开关时间Td(off)关断延迟时间开关时间VECFWD正向电压在额定电流下的续流二极管正向电压TrrFWD恢复时间换流时续流二极管反向电压QrrFWD反向恢复电荷额定电流和di/dt=-1EM/us下，续流二极管反向恢复电荷。c.热阻符号参数定义Rth(j-c)结对外壳的热阻每个开关管，结同外壳之间的热阻最大值。Rth(c-f)接触热阻每个开关管外壳与散热器之间的热阻最大值。3.3.特性曲线a.输出特性IGBT的输出特性是指在一定的VGE值下，产生某一特定的IC同VCE的相互关系。典型的输出特性12b.饱和特性VCE(sat)IGBT饱和压降是结温，集电极电流和栅极-发射极的函数。VGE的增加会加大沟道的电导，从而降低VCE（sat）.饱和压降与IC的关系c.开关特性开关时间：Ton=td(on)+tr;Toff=td(off)+tf;典型的半桥开关特性3.4栅极驱动及模块的保护a.栅极驱动电压：IGBT需要栅极电压使集电极和发射极之导通。13典型的IGBT栅极驱动电路开通时建议用15V±10%的正栅极电压，该电压足以使IGBT完全饱和。在任何情况下不应超过（12V-20V）的范围。为了保证不会因为di/dt噪声产生误开通，故采用反偏压（-5V至-15V）来作为关断电压。b.串联栅极电阻RGIGBT的开通和关断是通过栅极电路的冲放电来实现的，数值较小的电阻使栅极电容的冲放电快，从而减小开关时间和开关损耗。开关时间与栅极电阻的关系开关损耗与栅极电阻的关系c.栅极驱动功率要求IGBT的开关消耗栅极电源的功率，此功率受栅极驱动负，正偏压的差值ΔVGE，栅极总电荷QG和工作频率的影响。IGBT开关时的栅极总电荷电源最小峰值电源的平均功率其中：QG=栅极总电荷，F=开关频率；14d.栅极驱动布线的几点考虑：栅极驱动布线对防止寄生震荡，减慢栅极电压的上升，减少噪声损耗，降低栅极欠压保护次数有重大影响。e.dv/dt的保护关断时的IGBT由于反并联二极管的恢复过程其dv/dt在集电极与栅极间电容内产生电流，流向栅极驱动电路。为了防止误导通必须在关断时加足够的负偏压，且RG为一个较低值，LG应为最低值。f.短路保护一般的短路检测方式是