IPM功率模塊分析參考模板

1、引言 IPM智能功率模塊是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動以及保護(hù)電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實現(xiàn)高效的過流保護(hù)和短路保護(hù)。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護(hù)電路，因而系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提高。IPM智能功率模塊的性能特點IPM智能功率模塊的優(yōu)點使用智能功率模塊可以使生產(chǎn)廠家降低在設(shè)計、開發(fā)和制造上的成本。與普通的IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高。由于IPM集成了驅(qū)動和保護(hù)電路，使得用戶的產(chǎn)品設(shè)計變得相對容易，并能縮短開發(fā)周期；由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱

2、器減小，因而系統(tǒng)尺寸也減?。凰械腎PM均采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)化與邏輯電平控制電路相聯(lián)的柵極控制接口，在產(chǎn)品系列擴(kuò)充時無需另行設(shè)計電路。IPM在故障情況下的自保護(hù)能力，也減少了器件在開發(fā)和使用中過載情況下的損壞機(jī)會。IPM智能功率模塊安全工作區(qū)IPM內(nèi)置的柵極驅(qū)動電路和保護(hù)電路可以對許多違反IGBT模塊安全工作區(qū)（SOA）的運(yùn)行模式加以保護(hù)，智能功率模塊的開關(guān)安全工作區(qū)和短路安全工作區(qū)定義概述如下：開關(guān)安全工作區(qū)開關(guān)（關(guān)斷）安全工作區(qū)通常定義為在重復(fù)關(guān)斷運(yùn)行時的最大允許瞬時電壓和電流。對于IPM，內(nèi)置柵極驅(qū)動取消了因不正確的柵極驅(qū)動而造成的許多電壓和電流的危險組合，此外，最大工作電流受過流保護(hù)電路的

3、限制。根據(jù)這些限制條件，開關(guān)安全工作區(qū)可用圖1中的波形來定義，只要主電路直流母線電壓低于數(shù)據(jù)手冊中的Vcc(port)指標(biāo)，每個IPM功率單元的C-E間關(guān)斷瞬時電壓低于VCES指標(biāo)，Tj小于125，控制電源電壓在13.5V和16.5V之間，IPM將會安全工作。波形中的IOC是IPM的過流故障不會動作的最大允許電流。換句話說，它正好處在OC動作數(shù)值以下。該波形定義了硬關(guān)斷操作的最壞情況，當(dāng)電流高于OC動作數(shù)值時，IPM將關(guān)斷該電流。短路安全工作區(qū)圖2是一個典型的短路運(yùn)行波形。標(biāo)準(zhǔn)測試條件用最小阻抗短路來產(chǎn)生流過該器件的最大短路電流。在測試中，短路電流（ICS）只受器件特性的限制，只要主電路直流母

4、線電壓低于Vcc(port)規(guī)定值，每個IPM功率單元的C-E間所有瞬時電壓低于VCES指標(biāo)，Tj小于2 / 7125，控制電源電壓在13.5V和16.5V之間，對于非重復(fù)性的短路，IPM保證不會損壞。波形顯示了IPM為了減低浪涌電壓而使用的軟關(guān)斷。IPM智能功率模塊的自保護(hù)功能自保護(hù)特點IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞的情況。內(nèi)置保護(hù)功能的框圖如圖3所示。如果IPM模塊其中有保護(hù)電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流并輸出一個故障信號（FO）?？刂齐娫辞穳烘i定內(nèi)部控制電路由一個15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動作數(shù)值（UV）

5、，則該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個故障信號。如果小毛刺干擾時間小于規(guī)定的tdUV，則不影響控制電路工作，欠壓保護(hù)電路也將不工作。保護(hù)后，要恢復(fù)正常工作，電源電壓必須超過欠壓復(fù)位數(shù)值（UVr）。欠壓保護(hù)電路在控制電源上電和掉電期間都要保持工作。過熱保護(hù)在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝溫度傳感器。如果基板溫度超出過熱動作數(shù)值（OT），IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動，不影響控制輸入信號，直到溫度恢復(fù)正常，從而保護(hù)了功率器件。當(dāng)溫度回落至過熱復(fù)位數(shù)值（OTr）以下，并且控制輸入為高電平（關(guān)斷狀態(tài)），功率器件將接收下一個低電平（開通狀態(tài)）輸入信號并恢復(fù)正常工作。過流保護(hù)如果流過IGBT的電流超出過流動

6、作數(shù)值（OC）的時間大于toff(OC)，IGBT將被關(guān)斷。超過OC數(shù)值但時間小于toff(OC)的電流短脈沖并不危險，過流保護(hù)電路將不予處理。當(dāng)檢測出過電流時，IGBT將被軟關(guān)斷，同時輸出一個故障信號。受控的軟關(guān)斷能控制關(guān)斷大電流而發(fā)生的浪涌電壓。短路保護(hù)如果負(fù)載發(fā)生短路而導(dǎo)致上下臂同時導(dǎo)通，IPM內(nèi)置短路保護(hù)電路將關(guān)斷IGBT。如果流經(jīng)IGBT的電流超出短路保護(hù)動作數(shù)值（SC），軟關(guān)斷立即啟動并輸出一個故障信號。為縮短SC檢測與SC關(guān)斷之間的響應(yīng)時間，IPM采用了實時電流控制電路（RTC）。SC動作時，實時電流控制電路直接監(jiān)測IGBT驅(qū)動的末級電路，因此響應(yīng)時間可以減小到不足100ns。I

7、PM智能功率模塊的驅(qū)動電路設(shè)計驅(qū)動電路的要求一個低電平輸入信號將使IGBT開通。典型地，IPM的輸入腳被用一個連接到控制電源正側(cè)的電阻拉高，把控制輸入拉低則產(chǎn)生一個“開通”的信號。故障輸出信號FO表現(xiàn)為集電極開路，如果發(fā)生故障，開路集電極器件即行接通，故障輸出腳從控制電源正端吸收電流。接口電路設(shè)計中布線很重要。為避免dv/dt噪聲耦合到控制電路，在布線中一定要仔細(xì)考慮：在上臂接口電路之間、上臂和下臂接口電路之間的寄生電感都會產(chǎn)生噪聲的問題。驅(qū)動電路的原理圖4是用于空調(diào)機(jī)變頻控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模塊PM20CTM060驅(qū)動電路的原理圖。開關(guān)控制信號和故障信號是通過隔離接口電路同

8、系統(tǒng)控制器連接的。TLP559的特點是開關(guān)速度高，每秒達(dá)1M次。TLP521則具有電流傳輸比（CTR）大的特點，CTR值達(dá)200，圖中的R508是一個上拉電阻，它是確保在IPM智能功率模塊沒有故障時VFO的輸出為高電平。在使用IPM的設(shè)計中，4路15V電源的質(zhì)量要求比較高，波動范圍為15 V±10%，否則會影響IPM工作的可靠性。而隔離光耦的選擇也十分重要，電流傳輸比（CTR）應(yīng)在100200之間，隔離光耦的輸入端是TTL電平，其輸入電流應(yīng)設(shè)定為810mA。若設(shè)計不當(dāng)，則會增加IGBT工作在放大區(qū)的時間，導(dǎo)致IGBT功耗增大，不能充分發(fā)揮IPM的效能。另外為了防止IGBT上下橋臂同時

9、導(dǎo)通，軟件設(shè)計時，在上下橋臂導(dǎo)通上設(shè)有死區(qū)時間（即互鎖時間）。若硬件設(shè)計不當(dāng)，則會導(dǎo)致所需死區(qū)時間延長，從而增加IPM三相輸出的高次諧波成分，致使壓縮機(jī)運(yùn)行振動增加，效率下降。驅(qū)動電路印刷電路板的設(shè)計驅(qū)動電路印刷線路板絲印面見圖5。IPM智能功率模塊的驅(qū)動電路印刷電路板采用帶金屬化孔的雙面PCB板制作，在設(shè)計中注意考慮以下三點：1、不應(yīng)把因IPM開關(guān)時容易引起電位變化的走線布得太近，因為高的dv/dt會通過寄生電容耦合噪聲；信號線與電源線不要平行走線，以防互相干擾。2、光耦合器的輸出腳和IPM輸入腳之間在PCB上走線應(yīng)盡量短，小于23cm，因為長的走線容易拾取電路其它部分的噪聲。3、電源上用的濾波瓷片電容應(yīng)盡量靠近相應(yīng)的IPM引腳。在本設(shè)計中這四個電容（C505C508）選用的是低感退耦電容，并直接焊接在IPM相應(yīng)的引腳上。IPM模塊的靜電防護(hù)帶靜電的人體或其它過大的電壓施加到柵-源（或發(fā)射極）上可能毀壞芯片?？轨o電的基本措施就是盡量阻止靜電的產(chǎn)生并盡快將電荷釋放掉。在焊接IPM智能模塊時，應(yīng)保證烙鐵頭良好