單相逆變器智能功率模塊應(yīng)用電路設(shè)計(jì).doc

單相逆變器智能功率模塊應(yīng)用電路設(shè)計(jì)1 引言智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)以開關(guān)速度快、損耗小、功耗低、有多種保護(hù)功能、抗干擾能力強(qiáng)、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點(diǎn)在電力電子領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。以PM200DSA060型IPM為例。介紹IPM應(yīng)用電路設(shè)計(jì)和在單相逆變器中的應(yīng)用。2 IPM的結(jié)構(gòu)IPM由高速、低功率IGWT、優(yōu)選的門級驅(qū)動器及保護(hù)電路構(gòu)成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合，由MOSFET驅(qū)動GTR，因而IPM具有GTR高電流密度、低飽和電壓、高耐壓、MOSFET高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況，IPM有多種類型，如PM200DSA060型：IPM為D型(內(nèi)部集成2個IGBT)其內(nèi)部功能框圖如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。內(nèi)有驅(qū)動和保護(hù)電路，保護(hù)功能有控制電源欠壓鎖定保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)，當(dāng)其中任一種保護(hù)功能動作時(shí)。IPM將輸出故障信號FO。IPM內(nèi)部電路不含防止干擾的信號隔離電路、自保護(hù)功能和浪涌吸收電路。為了保證IPM安全可靠。需要自己設(shè)計(jì)部分外圍電路。3 IPM的外部驅(qū)動電路設(shè)計(jì)IPM的外部驅(qū)動電路是IPM內(nèi)部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅(qū)動電路對以IPM構(gòu)成的系統(tǒng)的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。由IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可見器件本身含有驅(qū)動電路所以只要提供滿足驅(qū)動功率要求的PWM信號、驅(qū)動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是IPM對驅(qū)動電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格：驅(qū)動電壓范圍為135V165V電壓低于135V將發(fā)生欠壓保護(hù)電壓高于165V可能損壞內(nèi)部部件；驅(qū)動信號頻率為5Hz-20kHz,且需采用電氣隔離裝置。防止干擾：驅(qū)動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2倍(2Vces)；驅(qū)動電流達(dá)19mA一26mA；驅(qū)動電路輸出端的濾波電容不能太大這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過100pF時(shí)。噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動電路。圖3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅(qū)動電路方案。來自控制電路的PWM信號經(jīng)R1限流再經(jīng)高速光耦隔離并放大后接IPM內(nèi)部驅(qū)動電路并控制開關(guān)管工作，F(xiàn)O信號也經(jīng)過光耦隔離輸出。其中每個開關(guān)管的控制電源端采用獨(dú)立隔離的穩(wěn)壓。15V電源，且接1只10F的退耦電容器 (圖中未畫出)以濾去共模噪聲。Rl根據(jù)控制電路的輸出電流選取如用DSP產(chǎn)生PWM則R1的阻值可為330。R2根據(jù)IPM驅(qū)動電流選值，一方面應(yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲另一方面又要足夠可靠地控制IPM。可在2k68k內(nèi)選取。C1為2端與地間的O1F濾波電容器，PWM隔離光耦的要求是tPLH10kVs，可選用HCPIA503型、 HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦輸入端接1只O1的退耦電容器(圖中未畫出)。FO輸出光耦可用低速光耦(如 PC817)。IPM的內(nèi)部引腳功能如表1所示。圖3的外部接口電路直接固定在PCB上且靠近模塊輸入腳以減少噪聲和干擾PCB上布線的距離應(yīng)適當(dāng)，避免開關(guān)時(shí)干擾引起的電位變化。另外，考慮到強(qiáng)電可能造成外部驅(qū)動電路到IPM引線的干擾，可以在引腳14間，34間，45間根據(jù)干擾大小加濾波電容器。4 IPM的保護(hù)電路設(shè)計(jì)由于IPM本身提供的保護(hù)電路不具備自保護(hù)功能所以要通過外圍硬件或軟件的輔助電路將內(nèi)部提供的：FO信號轉(zhuǎn)換為封鎖IPM的控制信號關(guān)斷IPM，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。41 硬件 IPM有故障時(shí)，F(xiàn)O輸出低電平，通過高速光耦到達(dá)硬件電路，關(guān)斷PWM輸出，從而達(dá)到保護(hù)IPM的目的。具體硬件連接方式如下：在PWM接口電路前置帶控制端的3態(tài)收發(fā)器(如74HC245)。PWM信號經(jīng)過3態(tài)收發(fā)器后送至IPM接口電路IPM的故障輸出信號FO經(jīng)光耦隔離輸出送入與非門。再送到3態(tài)收發(fā)器使能端OE。IPM正常工作時(shí)與非門輸出為低電平。3態(tài)收發(fā)器選通；IPM有故障時(shí)。與非門輸出為高電平。3態(tài)收發(fā)器所有輸出置為高阻態(tài)。封鎖各個IPM的控制信號關(guān)斷IPM實(shí)現(xiàn)保護(hù)。42 軟件IPM有故障時(shí)FO輸出低電平，F(xiàn)O信號通過高速光耦送到控制器進(jìn)行處理。處理器確認(rèn)后。利用中斷或軟件關(guān)斷IPM的PWM控制信號從而達(dá)到保護(hù)目的。如在基于DSP控制的系統(tǒng)中利用事件管理器中功率驅(qū)動保護(hù)引腳(PDPINT)中斷實(shí)現(xiàn)對IPM的保護(hù)。通常1個事件管理器嚴(yán)生的多路PWM可控制多個IPM工作其中每個開關(guān)管均可輸出FO信號，每個開關(guān)管的FO信號通過與門當(dāng)任一開關(guān)管有故障時(shí)輸出低電平，與門輸出低電平將該引腳連至PDPINT，由于PDPINT為低電平時(shí)DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)，從而達(dá)到保護(hù)目的。以上2種方案均利用IPM故障輸出信號封鎖IPM的控制信號通道因而彌補(bǔ)了IPM自身保護(hù)的不足，有效地保護(hù)了器件。5 IPM的緩沖電路設(shè)計(jì)在IPM應(yīng)用中，由于高頻開關(guān)過程和功率回路寄生電感等疊加產(chǎn)生的didt、dvdt和瞬時(shí)功耗會對器件產(chǎn)生較大的沖擊，易損壞器件因此需設(shè)置緩沖電路(即吸收電路)，目的是改變器件的開關(guān)軌跡，控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關(guān)損耗保護(hù)器件安全運(yùn)行。圖4為常用的3種IPM緩沖電路。圖4(a)為單只無感電容器構(gòu)成的緩沖電路，對瞬變電壓有效且成本低，適用于小功率IPM。圖4(b)為RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于較大功率IPM緩沖二極管D可箝住瞬變電壓，從而抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)設(shè)計(jì)為開關(guān)周期的13，即r=T3=13f。圖4(c)為P型RCD和N型RCD構(gòu)成的緩沖電路，適用于大功率IPM。功能類似于圖4(b)所示的緩沖電路，其回路電感更小。若同時(shí)配合使用圖4(a)所示的緩沖電路。還能減小緩沖二極管的應(yīng)力，緩沖效果更好。在圖4(c)中，當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管向緩沖電容器充電，同時(shí)集電極電流逐漸減少，由于電容器二端的電壓不能突變所以有效地限制了IGBT集電極電壓上升率dvdt。也避免了集電極電壓和集電極電流同時(shí)達(dá)到最大值。IGBT集電極母線電感、電路及其元件內(nèi)部的雜散電感在IGBT開通時(shí)儲存的能量，這時(shí)儲存在緩沖電容器中。當(dāng)IGBT開通時(shí)，集電極母線電感以及其他雜散電感又有效地限制了IGBT集電極電流上升率 didt同樣也避免了集電極電壓和集電極電流同時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí)，緩沖電容器通過外接電阻器和IGBT開關(guān)放電，其儲存的開關(guān)能量也隨之在外接電阻器和電路、元件內(nèi)部的電阻器上耗散。如此，便將IGBT運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路最后在相關(guān)電阻器上以熱的形式耗散，從而保護(hù)IGBT安全運(yùn)行。圖4(c)中的電阻值和電容值按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取：如PM200DSA060的電容值為0221xF047xF,耐壓值是IGBT的 11倍15倍，電阻值為10?20?,電阻功率按P=fCU2xlO-6計(jì)算，其中f為IGBT工作頻率，u為IGBT的工作峰值電壓。C為緩沖電路與電阻器串聯(lián)電容。二極管選用快恢復(fù)二極管。為了保證緩沖電路的可靠性，可以根據(jù)功率大小選擇封裝好的圖4所示的緩沖電路。另外，由于母線電感、緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感對IPM尤其是大功率IPM有極大的影響，因此愈小愈好。要減小這些電感需從多方面人手：直流母線要盡量地短；緩沖電路要盡可能地靠近模塊；選用低電感的聚丙烯無極電容器、與IPM相匹配的快速緩沖二極管及無感泄放電阻器。6 IPM在單相全橋逆變器中的應(yīng)用圖5所示的單相全橋逆變電路主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路包括逆變?nèi)珮蚝蜑V波電路，其中逆變?nèi)珮蛲瓿芍绷鞯浇涣鞯淖儞Q濾波電路濾除諧波成分以獲得需要的交流電；控制電路完成對逆變橋中開關(guān)管的控制并實(shí)現(xiàn)部分保護(hù)功能。圖中的逆變?nèi)珮蛴?個開關(guān)管和4個續(xù)流二極管組成，工作時(shí)開關(guān)管在高頻條件下通斷開關(guān)瞬間開關(guān)管電壓和電流變大，損耗大，結(jié)溫升高，加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等極易導(dǎo)致開關(guān)管瞬間損壞，以往常用分立元件設(shè)計(jì)開關(guān)管的保護(hù)電路和驅(qū)動電路，導(dǎo)致電路龐大且不可靠。筆者采用一對PM200DSA060雙單元IPM