IPM功率模块分析

引言IPM智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的、有电流传感功能的IGBT芯片，从而可实现高效的过流保护和短路保护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压锁定保护电路，因而系统的可靠性得到了进一步提高。IPM智能功率模块的性能特点IPM智能功率模块的优点使用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的成本。与普通的IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高。由于IPM集成了驱动和保护电路，使得用户的产品设计变得相对容易，并能缩短开发周期；由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅极控制接口，在产品系列扩充时无需另行设计电路。IPM在故障情况下的自保护能力，也减少了器件在开发和使用中过载情况下的损坏机会。IPM智能功率模块安全工作区IPM内置的栅极驱动电路和保护电路可以对许多违反IGBT模块安全工作区（SOA）的运行模式加以保护，智能功率模块的开关安全工作区和短路安全工作区定义概述如下：开关安全工作区开关（关断）安全工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流。对于IPM，内置栅极驱动取消了因不正确的栅极驱动而造成的许多电压和电流的危险组合，此外，最大工作电流受过流保护电路的限制。根据这些限制条件，开关安全工作区可用图1中的波形来定义，只要主电路直流母线电压低于数据手册中的Vcc(port)指标，每个IPM功率单元的C-E间关断瞬时电压低于VCES指标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，IPM将会安全工作。波形中的IOC是IPM的过流故障不会动作的最大允许电流。换句话说，它正好处在OC动作数值以下。该波形定义了硬关断操作的最坏情况，当电流高于OC动作数值时，IPM将关断该电流。短路安全工作区图2是一个典型的短路运行波形。标准测试条件用最小阻抗短路来产生流过该器件的最大短路电流。在测试中，短路电流（ICS）只受器件特性的限制，只要主电路直流母线电压低于Vcc(port)规定值，每个IPM功率单元的C-E间所有瞬时电压低于VCES指标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，对于非重复性的短路，IPM保证不会损坏。波形显示了IPM为了减低浪涌电压而使用的软关断。IPM智能功率模块的自保护功能自保护特点IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏的情况。内置保护功能的框图如图3所示。如果IPM模块其中有保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO）。控制电源欠压锁定内部控制电路由一个15V直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作数值（UV），则该功率器件将被关断并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的tdUV，则不影响控制电路工作，欠压保护电路也将不工作。保护后，要恢复正常工作，电源电压必须超过欠压复位数值（UVr）。欠压保护电路在控制电源上电和掉电期间都要保持工作。过热保护在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装温度传感器。如果基板温度超出过热动作数值（OT），IPM内部控制电路将截止栅极驱动，不影响控制输入信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。当温度回落至过热复位数值（OTr）以下，并且控制输入为高电平（关断状态），功率器件将接收下一个低电平（开通状态）输入信号并恢复正常工作。过流保护如果流过IGBT的电流超出过流动作数值（OC）的时间大于toff(OC)，IGBT将被关断。超过OC数值但时间小于toff(OC)的电流短脉冲并不危险，过流保护电路将不予处理。当检测出过电流时，IGBT将被软关断，同时输出一个故障信号。受控的软关断能控制关断大电流而发生的浪涌电压。短路保护如果负载发生短路而导致上下臂同时导通，IPM内置短路保护电路将关断IGBT。如果流经IGBT的电流超出短路保护动作数值（SC），软关断立即启动并输出一个故障信号。为缩短SC检测与SC关断之间的响应时间，IPM采用了实时电流控制电路（RTC）。SC动作时，实时电流控制电路直接监测IGBT驱动的末级电路，因此响应时间可以减小到不足100ns。IPM智能功率模块的驱动电路设计驱动电路的要求一个低电平输入信号将使IGBT开通。典型地，IPM的输入脚被用一个连接到控制电源正侧的电阻拉高，把控制输入拉低则产生一个“开通”的信号。故障输出信号FO表现为集电极开路，如果发生故障，开路集电极器件即行接通，故障输出脚从控制电源正端吸收电流。接口电路设计中布线很重要。为避免dv/dt噪声耦合到控制电路，在布线中一定要仔细考虑：在上臂接口电路之间、上臂和下臂接口电路之间的寄生电感都会产生噪声的问题。驱动电路的原理图4是用于空调机变频控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模块——PM20CTM060驱动电路的原理图。开关控制信号和故障信号是通过隔离接口电路同系统控制器连接的。TLP559的特点是开关速度高，每秒达1M次。TLP521则具有电流传输比（CTR）大的特点，CTR值达200，图中的R508是一个上拉电阻，它是确保在IPM智能功率模块没有故障时VFO的输出为高电平。在使用IPM的设计中，4路15V电源的质量要求比较高，波动范围为15V±10%，否则会影响IPM工作的可靠性。而隔离光耦的选择也十分重要，电流传输比（CTR）应在100~200之间，隔离光耦的输入端是TTL电平，其输入电流应设定为8~10mA。若设计不当，则会增加IGBT工作在放大区的时间，导致IGBT功耗增大，不能充分发挥IPM的效能。另外为了防止IGBT上下桥臂同时导通，软件设计时，在上下桥臂导通上设有死区时间（即互锁时间）。若硬件设计不当，则会导致所需死区时间延长，从而增加IPM三相输出的高次谐波成分，致使压缩机运行振动增加，效率下降。驱动电路印刷电路板的设计驱动电路印刷线路板丝印面见图5。IPM智能功率模块的驱动电路印刷电路板采用带金属化孔的双面PCB板制作，在设计中注意考虑以下三点：1、不应把因IPM开关时容易引起电位变化的走线布得太近，因为高的dv/dt会通过寄生电容耦合噪声；信号线与电源线不要平行走线，以防互相干扰。2、光耦合器的输出脚和IPM输入脚之间在PCB上走线应尽量短，小于2~3cm，因为长的走线容易拾取电路其它部分的噪声。3、电源上用的滤波瓷片电容应尽量靠近相应的IPM引脚。在本设计中这四个电容（C505~C508）选用的是低感退耦电容，并直接焊接在IPM相应的引脚上。IPM模块的静电防护带静电的人体或其它过大的电压施加到栅-源（或发射极）上可能毁坏芯片。抗静电的基本措施就是尽量阻止静电的产生并尽快将电荷释放掉。在焊接IPM智能模块时，应保证烙铁头良好接地，烙铁温度应控制在330℃～350℃温度范围内，焊接时间小于10s；在电控箱体的装配过程中，应将测试设备和人体良好接地，推荐在工作台和周围的地板上铺放导电毯，并将之接地。结语随着变频技术的日趋成熟，IPM在变频家电中的应用也越来越广泛，这也必将推动IPM技术的发展，早日开发出性价比更高的智能功率模块。