單相逆變器智能功率模塊應用電路設計.doc

單相逆變器智能功率模塊應用電路設計1 引言智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)以開關速度快、損耗小、功耗低、有多種保護功能、抗干擾能力強、無須采取防靜電措施、體積小等優(yōu)點在電力電子領域得到越來越廣泛的應用。以PM200DSA060型IPM為例。介紹IPM應用電路設計和在單相逆變器中的應用。2 IPM的結構IPM由高速、低功率IGWT、優(yōu)選的門級驅動器及保護電路構成。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復合，由MOSFET驅動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、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點。根據(jù)內部功率電路配置情況，IPM有多種類型，如PM200DSA060型：IPM為D型(內部集成2個IGBT)其內部功能框圖如圖1所示，內部結構如圖2所示。內有驅動和保護電路，保護功能有控制電源欠壓鎖定保護、過熱保護、過流保護和短路保護，當其中任一種保護功能動作時。IPM將輸出故障信號FO。IPM內部電路不含防止干擾的信號隔離電路、自保護功能和浪涌吸收電路。為了保證IPM安全可靠。需要自己設計部分外圍電路。3 IPM的外部驅動電路設計IPM的外部驅動電路是IPM內部電路和控制電路之間的接口，良好的外部驅動電路對以IPM構成的系統(tǒng)的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。由IPM內部結構圖可見器件本身含有驅動電路所以只要提供滿足驅動功率要求的PWM信號、驅動電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。但是IPM對驅動電路輸出電壓的要求很嚴格：驅動電壓范圍為135V165V電壓低于135V將發(fā)生欠壓保護電壓高于165V可能損壞內部部件；驅動信號頻率為5Hz-20kHz,且需采用電氣隔離裝置。防止干擾：驅動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的2倍(2Vces)；驅動電流達19mA一26mA；驅動電路輸出端的濾波電容不能太大這是因為當寄生電容超過100pF時。噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內部驅動電路。圖3所示是一種典型的高可靠性IPM外部驅動電路方案。來自控制電路的PWM信號經R1限流再經高速光耦隔離并放大后接IPM內部驅動電路并控制開關管工作，F(xiàn)O信號也經過光耦隔離輸出。其中每個開關管的控制電源端采用獨立隔離的穩(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產生PWM則R1的阻值可為330。R2根據(jù)IPM驅動電流選值，一方面應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上布線的距離應適當，避免開關時干擾引起的電位變化。另外，考慮到強電可能造成外部驅動電路到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的保護電路設計由于IPM本身提供的保護電路不具備自保護功能所以要通過外圍硬件或軟件的輔助電路將內部提供的：FO信號轉換為封鎖IPM的控制信號關斷IPM，實現(xiàn)保護。41 硬件 IPM有故障時，F(xiàn)O輸出低電平，通過高速光耦到達硬件電路，關斷PWM輸出，從而達到保護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正常工作時與非門輸出為低電平。3態(tài)收發(fā)器選通；IPM有故障時。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的控制信號關斷IPM實現(xiàn)保護。42 軟件IPM有故障時FO輸出低電平，F(xiàn)O信號通過高速光耦送到控制器進行處理。處理器確認后。利用中斷或軟件關斷IPM的PWM控制信號從而達到保護目的。如在基于DSP控制的系統(tǒng)中利用事件管理器中功率驅動保護引腳(PDPINT)中斷實現(xiàn)對IPM的保護。通常1個事件管理器嚴生的多路PWM可控制多個IPM工作其中每個開關管均可輸出FO信號，每個開關管的FO信號通過與門當任一開關管有故障時輸出低電平，與門輸出低電平將該引腳連至PDPINT，由于PDPINT為低電平時DSP中斷，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài)，從而達到保護目的。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了IPM自身保護的不足，有效地保護了器件。5 IPM的緩沖電路設計在IPM應用中，由于高頻開關過程和功率回路寄生電感等疊加產生的didt、dvdt和瞬時功耗會對器件產生較大的沖擊，易損壞器件因此需設置緩沖電路(即吸收電路)，目的是改變器件的開關軌跡，控制各種瞬態(tài)過壓，降低器件開關損耗保護器件安全運行。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時間常數(shù)應設計為開關周期的13，即r=T3=13f。圖4(c)為P型RCD和N型RCD構成的緩沖電路，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力，緩沖效果更好。在圖4(c)中，當IGBT關斷時負載電流經緩沖二極管向緩沖電容器充電，同時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達到最大值。IGBT集電極母線電感、電路及其元件內部的雜散電感在IGBT開通時儲存的能量，這時儲存在緩沖電容器中。當IGBT開通時，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達到最大值。此時，緩沖電容器通過外接電阻器和IGBT開關放電，其儲存的開關能量也隨之在外接電阻器和電路、元件內部的電阻器上耗散。如此，便將IGBT運行時產生的開關損耗轉移到緩沖電路最后在相關電阻器上以熱的形式耗散，從而保護IGBT安全運行。圖4(c)中的電阻值和電容值按經驗數(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。逆變電路包括逆變全橋和濾波電路，其中逆變全橋完成直流到交流的變換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管的控制并實現(xiàn)部分保護功能。圖中的逆變全橋由4個開關管和4個續(xù)流二極管組成，工作時開關管在高頻條件下通斷開關瞬間開關管電壓和電流變大，損耗大，結溫升高，加上功率回路寄生電感、振蕩及噪聲等極易導致開關管瞬間損壞，以往常用分立元件設計開關管的保護電路和驅動電路，導致電路龐大且不可靠。筆者采用一對PM200DSA060雙單元IPM