IPM智能功率模块的外围电路设计

第30卷第4期Vol.30,No.42014年7月July,2014邱兴阳（湄洲湾职业技术学院，福建莆田351254）随着变频技术的发展，在不同领域的各种产品都在使用变频技术，变频技术具有很好的节能效果和经济性。IPM智能功率模块是集驱动电路、欠压、短路、过热等保护电路于一体，结构简单、损耗小、重量轻、体积小、使用可靠等优点，可作为变频技术的核心模块。IPM智能功率模块的不仅使系统的设计时间缩短而且还使系统的可靠性得到提高，同时还能使系统的硬件电路变得简单，缩小系统的尺寸。但IPM内部不含防干扰信号的隔离电路和浪涌吸收电路，为了使智能功率模块IPM能可靠安全稳定运行，就需要设计IPM的外围驱动保护电路。智能功率模块；驱动电路；保护TM02A1007-984X(2014)04-0005-04变频技术是使用电设备在其电压不变的情况下对其电源电压的频率进行改变，让用电设备发挥最大功效以及节能用电。在空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电磁灶等家用电器中已被广泛采用；在逆变电源、不停电电源、地铁、电力机车、电梯等产品中也有采用，可以说其市场前景很可观[1]。随着IPM智能功率模块的发展，IPM把IGBT芯片、控制IC、封装的三种技术集合一起，以控制IC为核心，提供驱动与完善的保护功能。IPM是一种先进的功率开关器件，兼有GTR（大功率晶体管）高电流、低饱和电压和高耐压的优点，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，IPM已成为变频技术中功率变换的关键组件之一。IPM在变频技术中的应用，使得应用设计更简捷；组装及测试自动化，系统可靠性更高；内部电路布线设计优化，可有效抵制干扰；通态损耗和开关损耗较低，所需散热面积较小；用标准化逻辑电平控制电路中的门控接口，扩充规格时无须另行设计驱动电路；具备强有力的自动保护和故障检测功能；性价比高于IGBT模块，有很好的经济性。IPM内部虽具有驱动电路，但必须提供15V的稳定驱动电源和控制IGBT导通关断的开关信号，但IPM内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。为了保证IPM安全可靠运行，需要设计其外围驱动电路[2]。1IPM端子的特点及使用注意事项（1）IPM的输入端若是低电平信号将会使其内部的IGBT开通，而通常在使用IPM时，会将IPM的一个输入端通过上拉电阻接到控制电源正极，因此只要将另一输入端拉低就会产生一个“开通”信号。（2）IPM的故障输出端是一个“OC门”电路，一旦发生故障，集电极开路端就会接通，故障输出端就会从控制电源正端吸收电流。（3）IPM的上桥臂接口电路之间、上下桥臂接口电路之间存在寄生电感，使用时会产生噪声问题，为了避免du/dt噪声耦合到控制电路，在布线要尽可能的短。（4）IPM的电源接线端间存在杂散的寄生电感，电源母线之间也有寄生电感的存在。因此在布线时，电源母线应尽可能短，并加上适当的缓冲电容，从而减少对IPM工作的影响。IPM智能功率模块虽然自身有着比较完善的保护措施，但在实际使用中还应该注意以下几个方面的事2014-03-15邱兴阳（1981-），男，仙游人，讲师，工学硕士，主要从事电气、电子应用研究，[e-mail]。·6·齐齐哈尔大学学报2014年项[3]：（1）避免因静电而击穿，确保模块在使用前要一直用石墨织物等将其控制端子短路，不要用手直接接触端子，焊接过程中烙铁头要接地、设备、工作台面和人都应接地。（2）由于IPM通常工作在信号控制的高频开关状态，且电流较大温度上升较快。即使有过温保护功能，但急剧的温升仍然对IGBT构成威胁，因此对散热器的设计要求较高。另外在散热器与模块之间的接触面还要加上100～200μm的导热硅脂，以降低接触面的热阻同时也可以避免接触表面被腐蚀。（3）在内置制动单元的IPM中，当不使用制动时应将DB输入端子用20kΩ上拉电阻连于Vcc。否则，du/dt可能引起误动作。而对于6封装(即无制动单元)类型,应将B端子接到N或P电位上以避免在悬空状态下使用。（4）上桥臂侧仅有保护动作而无报警输出，当下桥臂侧出现异常时才会输出故障信号。（5）4组控制电源与主电源间必须加以绝缘。而且，随着IGBT的开关动作，该绝缘部位将有很大的du/dt作用，因此还要确保足够的距离。上电时应先接通控制电源，然后再加主电源；如果先加主电源，则可能在保护电路还没动作时IPM已损坏。2IPM外围电路的设计在以MCU或DSP为控制核心的变频控制技术中，MCU与DSP发出的开关脉冲控制信号要通过光电隔离才能连接到IPM的控制端，这样既可以增加系统的抗干扰能力，而且不会将主电路的电压引入控制部分。高速光耦的品种和类型很多，本文选用6N137高速光耦来举例设计IPM的外部驱动隔离电路。6N137光耦合器是一种单通道的高速光耦器件，其内部由一个波长为850nm的AlGaAsLED和一个集成检测器组成。其中检测器是由一个光敏二极管、高增益线性运放以及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高输入/输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，极小的输入电流（5mA）。单路脉冲信号驱动隔离电路如图1所示。图中上拉电阻R1通常取几百欧，典型值为350Ω。C1一般接容量为0.1μF的高频特性良好的电容，如瓷介质或钽电容，且应尽量放在脚5和脚8附近（不要超过1cm）。R2的通常采用500Ω左右的电阻，用来限制输入电流，在可能的情况下R2的值取越大越好。C0为去噪电容，容量通常取10～100pF。6N137光耦性能优越，外接电路简单，但价格相对过于昂贵，在变频技术的功率变换模块中需要多个6N137光耦，若系统要进行批量生产则无法降低成本。IPM外部驱动隔离电路主要是将开关脉冲信号通过光耦来传送，若在变频应用的工作频率是在5kHz以下的场合，那可以采用另一种低成本的IPM脉冲隔离电路。因为系统的工作频率不高，驱动隔离电路采用TLP521或PC817等普通光耦就能实现。其脉冲信号驱动隔离电路如图2所示[4]。图中R1为脉冲输入端的上拉电阻，其阻值大小取决于MCU/DSP端口脉冲信号的最大灌电流。电阻R2必须保证光耦工作在饱和状态，使光耦的响应时间最短。R2的值取决于光耦在d端的额定输入电流和Udb的额定值。R3的取值必须保证c-e极间有足够的电流，当c-e极导通时，UC为低电平；同时R3与C0组成滤波电路，对脉冲信号进行RC滤波，为了使脉冲开关信号的上升和下降沿尽量陡，C0的取值应小于1000pF。R4的阻值取决于三极管V的b-e两端的电压和三极管的基极电流Ib。对于一般的变频控制来说，系统的工作频率一般低于5kHz，采用TLP521或PC817等普通光耦设计的图2低成本单路脉冲信号隔离驱动电路图16N137单路脉冲信号隔离驱动电路第4期IPM智能功率模块的外围电路设计·7·驱动隔离方案成本大约只是采用高速光耦HCPL4504方案的1/5，因此它是一种比较经济实惠的设计方案，在大多的变频应用中都可以使用。IPM的故障信号输出端子Fo是阳极开放型的端子，因此在使用时必须接上拉电阻将其电位拉高到+5V/+15V电源电位，其电路如图3所示。在电路工作正常时，IPM的故障信号输出端子Fo为高电平，光耦关断。接MCU/DSP控制器的故障信号为高电平。当发生故障时，Fo为低电平，光耦导通，则把MCU/DSP控制器的故障信号端的电位拉低，变为低电平。为了消除IPM工作时浪涌电压，在使用IPM的时候需要在IPM的P、N端子间应加缓冲电容，缓冲电容采用容量为0.1～0.22μF的普通电容即可，布线时，由于母线电感及元件内部的杂散电感对IPM有极大影响,因此直流母线应尽可能的短,缓冲电容应尽可能与IPM模块靠近。IPM的过载保护功能需要外部配置旁路电阻，旁路电阻需采用功率型电阻，通常优先选用RGC无感电阻。一般采用5～10W功率的电阻，由于该电阻阻值较小（一般为mΩ），所以要求电阻要具有稳定的温度特性，否则当温度变化较大时，会影响到IPM的短路保护检测。IPM的缓冲电路如图4所示。3结束语随着变频技术的日趋成熟，以IGBT为主要功率器件的新型智能模块（IPM）在变频家电中的应用也越来越广泛，IPM智能功率模块与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上均得到明显的提高，同时由于IPM自身的通态损耗与开关损耗都比较低，使得散热器的尺寸变小，故整个系统的尺寸也减小，而且IPM智能功率模块的性价比还高于IGBT模块，具有很好的经济性和发展前景，可将其作为未来变频技术的核心模块来开发研究。[1]星光.智能功率模块[J].世界电子元器件,2001(4):34-35[2]高文华.基于IPM的三相无刷直流电机控制系统的设计[J].控制与检测,2009(4):57－60[3]汤正道,鲁昌华.智能功率模块的结构与使用[J].现代物理知识,2006(3):42-44[4]邱兴阳.基于IPM与DSP控制无刷直流电机的硬件设计[J].长春大学学报,2013(10):1245-1248QIUXing-yang（MeizhouwanVocationalTechnologyCollege,FujianPutian351254，China）Withthedevelopmentoffrequencyconversiontechnology,indifferentareasofthevariousproductsintheuseoffrequencyconversiontechnology,thefrequencyconversiontechnologyhasgoodenergysavingeffectandeconomicalefficiency.IPMisasetofdrivecircuit,undervoltage,shortcircuit,overheatprotectioncircuit,suchassimplestructure,lowloss,lightweight,smallsize,theadvantagesofreliable,canbeusedasthecoremoduleof图3IPM故障信号输出电路图4IPM的缓冲电路·8·齐齐哈尔大学学报2014年frequencyconversiontechnology.IPMintelligentpowermoduleisdesignednotonlytoshortenthetimeofthesystemandalsoincreasereliabilityofthesystem，Whilemakingitsimplehardwarecircuitsystem,reducingthesystemsize.ButIPMdoesnotcontaintheisolationcircuitandantiinterferencesignalsurgeabsorptioncircuit,inordertomakeintelligentpowermoduleIPMreliablesafeandstableoperation,itisnecessarytodesignaperipheralIPMdriverprotectioncircuit.IPM；drivercircuit；protection主变速箱一般位于工作台底座的后部，由于主变速箱体、齿轮和各传动轴的加工和装配综合累积误差大，使主传动箱的精度低，机床的噪声大，尤其是机床在高速状态下工作时，机床的振动和噪声非常明显，使机床主传动箱的使用寿命和精度显著降低，经常出现由于主变速箱的制造误差大而引起主变速箱内齿轮、传动轴和支撑传动轴的轴承损坏的问题。为了解决上述问题，笔者公司对数控立式车床的主传动结构进行了技术改进，研制了直流主电机通过减速器降速后，经过皮带传动，将直流主电机的扭矩传递给工作台Ⅱ轴的小齿轮，再通过小齿轮与固定在工作台上的大齿圈啮合传动后，将直流主电机的扭矩传递给工作台的结构。减速器使用行星齿轮传动结构，减速器内部带有