智能功率模塊IPM課件

智能功率模塊IPM小組成員：李海燕朱莉莉夏漪婷金中亞顧靜靜黃銀萍本段介紹了智能功率模塊IPM的特點和特性,分析了IPM在應(yīng)用設(shè)計過程中應(yīng)考慮的諸多問題及解決方法。把MOS管技術(shù)引入功率半導(dǎo)體器件的思想開創(chuàng)了革命性的器件:絕緣柵雙極晶體管IGBT。隨著IGBT在工作頻率為20KHZ的硬開關(guān)及更高的軟開關(guān)中的應(yīng)用,它已經(jīng)代替了MOSFET和GTR,成為最主要的電力電子器件。IGBT的發(fā)展使集外圍電路內(nèi)置于一塊功率模塊的智能功率IPM脫穎而出。IPM內(nèi)含柵極驅(qū)動、短路保護(hù)、過流保護(hù)、過熱保護(hù)和欠壓鎖定等功能,已被廣泛用于無噪聲逆變器,低噪聲UPS系統(tǒng)和伺服控制器等設(shè)備上。IPM使產(chǎn)品的體積減小,縮短了開發(fā)時間,簡化了開發(fā)步驟。一、IPM的原理1、IPM的特點1.1、IPM的構(gòu)成智能功率模塊IPM(IntelligentPowrModule)不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起,而且還內(nèi)藏有過電壓,過電流和過熱等故障檢測電路,并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理。它由高速低工耗的管芯和優(yōu)化的門級驅(qū)動電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng),也可以IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件,并內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動電路的集成結(jié)構(gòu)。1.2、IPM的優(yōu)點

(1)開關(guān)速度快。IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型,而且驅(qū)動電路緊靠IGBT芯片,驅(qū)動延時小,所以IPM開關(guān)速度快,損耗小。(2)低功耗。IPM內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低,開關(guān)速度快,故IPM功耗小。(3)快速的過流保護(hù)。IPM實時檢測IGBT電流,當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時,IGBT將被軟關(guān)斷,同時送出一個故障信號。(4)過熱保護(hù)。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當(dāng)基板過熱時,IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級驅(qū)動,不響應(yīng)輸入控制信號。(5)橋臂對管互鎖。在串聯(lián)的橋臂上,上下橋臂的驅(qū)動信號互鎖。有效防止上下臂同時導(dǎo)通。(6)抗干擾能力強。優(yōu)化的門級驅(qū)動與IGBT集成,布局合理,無外部驅(qū)動線。(7)驅(qū)動電源欠壓保護(hù)。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動控制電源(一般為15V)就會造成驅(qū)動能力不夠,增加導(dǎo)通損壞。IPM自動檢測驅(qū)動電源,當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^10μs時,將截止驅(qū)動信號。(8)IPM內(nèi)藏相關(guān)的外圍電路?？s短開發(fā)了時間。(9)無須采取防靜電措施。(10)大大減少了元件數(shù)目。體積相應(yīng)小。2、IPM參數(shù)和特性3、控制電路電源3.1、IPM控制功率消耗控制電路電流ID與開關(guān)頻率FC有關(guān);600VIPM控制電流(mA)3.2、布線指南 六個或七個IGBT單元的IPM四組隔離的供電電源,兩單元或一單元的則在三相大功率中需要六組隔離電源,以避免噪聲。IPM的控制電源端子應(yīng)接一個至少10μF的退耦電容,該電容幫助過濾共模噪聲并提供IPM柵極電路所須電流。4、接口電路4.1、接口電路的要求低電平開通，高電平截止。4.2、布線指南接口電路設(shè)計主要考慮的是dv/dt噪聲耦合問題。不應(yīng)把PCB板上走線布的太過靠近,否則開關(guān)使電位發(fā)生變化。必須屏蔽！推薦光耦:tPLH,tPHL<0.8μs;CMR>10kV/μs。通常型號:HCPL4503,HCPL4504,PS2041(NEC),在光耦合端接一個0.1μF的退耦電容?？刂贫松侠娮钁?yīng)盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲,但又要足夠可靠地控制IPM。低速光耦可用于故障輸出端和制動輸入端。4.3、接口電路的連接把接口直接做在PCB板上可靠近模塊輸入腳以減少噪聲，如圖1所示。4.4、FO輸出信號的使用當(dāng)TFO=1.8ms(典型值)有效時,IPM會關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。在FO結(jié)束后,自動復(fù)位,同時使輸入有效。在FO輸出時系統(tǒng)必須在1.8ms內(nèi)使PWM信號無效,等故障排除后方可重新有效。必須避免重復(fù)故障而導(dǎo)致結(jié)溫升高損壞IPM。系統(tǒng)可通過檢測tFO時間長度來確定是過流還是短路引起(1.8ms),過熱時間會長一些。過熱復(fù)位一般要等基板冷卻到OTR以下需要幾十秒鐘。5、結(jié)語由于IPM均采用具有標(biāo)準(zhǔn)化的邏輯電平的柵控接口,使IPM很方便與控制電路板相連接。IPM在故障情況下的自保護(hù)能力,降低了器件在開發(fā)和使用中損壞的機會,大大提高了整機的可靠性,被廣泛地應(yīng)用于工業(yè),軍事等電力電子系統(tǒng)。二、IPM的應(yīng)用1、IPM模塊在變頻器中的應(yīng)用隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)趨向數(shù)字化和高集成度方向發(fā)展。變頻器的功率器件也經(jīng)歷了從SCR,GTO到IGBT的發(fā)展歷程，控制方式也從最初的v/f控制，發(fā)展到矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。變頻家電等控制系統(tǒng)中，功率驅(qū)動器件是必不可少的，智能功率模（IPM）就是一個典型的高度集成的功率驅(qū)動器件，然而，電力變換技術(shù)的進(jìn)步和電力變換器的廣泛應(yīng)用也帶來了很多弊端，其產(chǎn)生的公害－電磁干擾以及諧波污染已成為世人關(guān)注的社會問題。而雙PWM變頻調(diào)速技術(shù)以其可以實現(xiàn)電機的四象限運行、能量轉(zhuǎn)換效率高、能量能雙向流動，尤其是能方便地實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)近似為1，消除了諧波污染等特點已成為研究的一個熱點。1）在變頻調(diào)速控制器中的應(yīng)用單電源IPM模塊應(yīng)用非常廣泛，尤其在中小功率變頻系統(tǒng)中，如工業(yè)洗衣機控制用變頻器，紡織機控制用儲緯器，注塑機控制系統(tǒng)中等，家電行業(yè)應(yīng)用也非常廣泛，如變頻空調(diào)、洗衣機、冰箱等。下面以IPM模塊在小功率變頻器中的實際使用情況，具體說明單電源ipm在系統(tǒng)中的應(yīng)用。單電源IPM模塊在系統(tǒng)中應(yīng)用示意圖如圖4所示。

由于系統(tǒng)中使用了單電源IPM模塊，即只需要給IPM模塊提供一路電源，整個系統(tǒng)可以共一個參考地，這樣可以減少用于電氣隔離用的光耦，包括6路IPM驅(qū)動信號，故障檢測信號。另外，電壓、電流檢測也可以方便地通過檢測直流側(cè)電壓和n線電流，而不需要電壓互感器和電流互感器，從而大大降低系統(tǒng)的硬件成本。

2）在雙PWM變頻器中的應(yīng)用

雙PWM變頻器中整流及逆變部分均需要采用六個IGBT開關(guān)管進(jìn)行控制，如果采用單獨的IGBT開關(guān)管再加上續(xù)流二極管，勢必會使得變頻器的體積增大。而采用IPM智能模塊就可以很方便的節(jié)約成本和減少體積。文中所介紹的IPM智能模塊是富士公司型號為6MBP20RH060的IPM智能模塊，它內(nèi)部具有低功耗、軟開關(guān)、高性能及擁有過熱保護(hù)的高可靠性IGBT。內(nèi)置有過電流保護(hù)、短路保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)及外部輸出警報端口。用這樣的模塊作為雙PWM變頻器的功率器件，大大簡化了硬件電路的設(shè)計，縮小了電源體積，簡化了接線，大大縮短了開發(fā)周期，更主要的是，它提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。結(jié)構(gòu)原理

基于IPM的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能越來越受關(guān)注，但整流部分由原先的整流二極管替換成可控器件勢必增加了成本，然而IPM智能模塊的出現(xiàn)不僅為降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保護(hù)性能為設(shè)計提供了極大的方便。因此采用IPM智能模塊設(shè)計雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有電路設(shè)計簡單、保護(hù)措施完善、體積小等特點，具有很好的發(fā)展前景。影響整個系統(tǒng)的性能。2、智能功率模塊在電動汽車中的應(yīng)用節(jié)能和可替代能源的探索已成為當(dāng)今工業(yè)發(fā)展的主題．而且這一趨勢還將持續(xù)。風(fēng)能、太陽能和電動汽車近年來得到蓬勃發(fā)展，而電力電子器件則成為這些領(lǐng)域的熱點。系統(tǒng)硬件配置以TMS320LF2407為核心的硬件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由以下幾部分構(gòu)成:控制器核心TMS320LF2407，外圍接口電路、功率開關(guān)模塊及其驅(qū)動，DC-DC變換模塊。電動汽車的種類有很多，包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車等。純電動汽車是用電代替內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車。其電機工作的能源來自于蓄電池。圖6示出其應(yīng)用框圖。 高度集成的技術(shù)使得IPM能夠顯著簡化整個PWM變頻器的設(shè)計。變頻器開發(fā)工程師只需設(shè)計簡單的絕緣接口和4個或者6個IPM供電電源電路。簡化的外圍電路能夠很好的滿足電動汽車變頻器對于單位體積內(nèi)功率密度高的要求。當(dāng)IPM快速關(guān)斷時．儲存在雜散電感中的能量耗散在開關(guān)器件上。從而在開關(guān)器件上會產(chǎn)生浪涌電壓。浪涌電壓的值直接與雜散電感值以及集電極電流關(guān)斷變化率相關(guān)。因此。功率部分的換流電路設(shè)計必須盡可能地降低雜散電感。電動汽車變頻器通常采用疊層母線排可有效降低雜散電感。即使IPM在直流母線電壓很高時發(fā)生短路關(guān)斷，浪涌過電壓也不會超過模塊的耐壓極限。圖7示出逆變器在發(fā)生相間短路時的IPM內(nèi)部IGBT單元的測試波形。電動汽車通常采用水冷散熱。為提高冷卻能力，水冷的水路應(yīng)設(shè)計在IPM內(nèi)的IGBT硅片正下方。此外，必須確保這些水路的密封以避免泄露，并選擇合適的位置以消除管道與安裝孔之間的沖突。高效的散熱系統(tǒng)能保證功率循環(huán)壽命和熱循環(huán)壽命。3、IPM在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用智能功率模塊(IPM)出現(xiàn)于上世紀(jì)九十年代,它通過采用先進(jìn)的材料和工藝將功率單元、驅(qū)動單元、邏輯單元、傳感單元和保護(hù)單元等集成于一體,這樣不僅應(yīng)用方便,更關(guān)鍵的是它提高了系統(tǒng)的可靠性,并縮小了體積。某些雷達(dá)系統(tǒng)在設(shè)計時要求體積小、重量輕和可靠性高,而采用常規(guī)的設(shè)計將難以達(dá)到這一要求,為此,我們采用智能功率模塊來解決這個非常棘手的問題,并研制出無刷直流電動機驅(qū)動的高性能雷達(dá)伺系統(tǒng)。1）雷達(dá)伺服系統(tǒng)早期的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中多采用普通直流電動機作為執(zhí)行元件來完成對雷達(dá)天線的驅(qū)動控制。但是,普通直流電動機由于使用了電刷和機械換向器,因此在工作時會產(chǎn)生電火花干擾,且碳刷在一些環(huán)境中磨損快、壽命短,維護(hù)不便。而稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型的驅(qū)動執(zhí)行元件,采用了電子換向,因而具有可靠性高、壽命長、無電火花干擾的特點,它同時還具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、高精度等性能。目前,采用無刷直流電動機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)在一些雷達(dá)系統(tǒng)中已經(jīng)開始應(yīng)用。采用無刷直流電動機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的雷達(dá)伺服系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。2）無刷直流電動機及其控制①無刷直流電機稀土永磁無刷直流電機是一種新型的電動機,其相電勢為梯形波,電樞電流為120度矩形波。它的基本構(gòu)成包括電動機本體、控制器和位置傳感器三部分,電機的三相定子繞組分別與作為功率電子開關(guān)的橋式主回路中相應(yīng)的功率開關(guān)管連接。由于采用脈寬調(diào)制(PWM)控制,所以,電子開關(guān)電路由功率開關(guān)單元、位置傳感器信號處理單元和脈寬調(diào)制器組成,用來控制電動機定子各相繞組通電的順序與時間。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相連接,它將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號,經(jīng)位置傳感器信號處理單元處理后,去控制功率電子開關(guān),使定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。隨著各相繞組按一定順序工作,在電機中就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場,從而拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。②無刷直流電動機的控制無刷直流電動機系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。它由脈寬調(diào)制器、無刷直流電動機的換相處理、驅(qū)動與保護(hù)及橋式逆變主回路幾部分組成。本系統(tǒng)中驅(qū)動采用IPM,主回路為脈寬調(diào)制式變換器,即PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類,它在控制上又分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆PWM運行,因此,在靜、動態(tài)性能要求比較高的雷達(dá)伺服系統(tǒng)中應(yīng)采用雙極式可逆PWM變換器。3）IPM模塊MSK4462及其應(yīng)用一般說來,智能功率模塊(IPM)包含有數(shù)字接口電路、驅(qū)動電路、功率器件、保護(hù)電路、內(nèi)部DC--DC變換器等部分,是數(shù)?；旌鲜酱笠?guī)模集成電路。事實上,智能功率模塊是復(fù)雜分立器件的集成,它在原理上并沒有增加新的功能。智能功率模塊是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它是計算機與電氣設(shè)備之間的關(guān)鍵接口。 IPM模塊MSK4462是一種無刷直流電動機的控制驅(qū)動功率模塊,用IPM模塊MSK4462可方便地構(gòu)成如圖1所示的無刷直流電動機驅(qū)動的高性能雷達(dá)伺服系統(tǒng),該系統(tǒng)中電機換相信號由MSK4462內(nèi)部的換相邏輯電路產(chǎn)生,而IPM模塊MSK4462外加補償網(wǎng)絡(luò)即可構(gòu)成電流PI調(diào)節(jié)器,以實現(xiàn)電流的閉環(huán)控制?？紤]到超調(diào)小、電流跟隨性好等性能,電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)校正。由IPM模塊MSK4462構(gòu)成的上述雷達(dá)伺服系統(tǒng)具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點。4、IPM智能模塊設(shè)PWM整流器的應(yīng)用1）模塊介紹文中介紹的是富士公司型號為6MBP30RH060的IPM智能模塊，該模塊不僅具有一般IPM的功能外，還具有采用低功耗軟開關(guān)技術(shù)；帶溫度保護(hù)的高性能高可靠性的IGBT。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。①電氣特性6MBP30RH060的IPM智能模塊為額定電流30A，耐壓值600V，直流母線耐壓值450V，抗浪涌值為500V。開關(guān)頻率最小1KHz，最大20KHz。對于PWM整流器來說，可以采用20KHz的開關(guān)頻率。②保護(hù)功能IPM的保護(hù)功能應(yīng)對的是非反復(fù)性異?，F(xiàn)象，只是起到警告的作用，并不能消除故障。當(dāng)發(fā)出警報時，請停止設(shè)備使用，不要施加超過額定值的輸入。A、過電流保護(hù)。B、短路保護(hù)。C、欠壓保護(hù)功能。D、過熱保護(hù)。2）基于IPM智能模塊的電路設(shè)計5、基于PV·IPM的光伏并網(wǎng)逆變器一種基于PM5086LA060的雙輸入組串光伏并網(wǎng)逆變器。兩支路具有獨立的Boost變換器和最大功率點跟蹤控制，可接不同規(guī)格的電池組串作為輸入，極便于光伏系統(tǒng)的配置。介紹了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)、光伏智能功率模塊(Photovohaic．IntelligentPowerModuh。簡稱PV．IPM)的特點，給出光伏并網(wǎng)逆變器采用的控制方法。系統(tǒng)有兩級能量變換單元，給出了兩級式并網(wǎng)逆變器的能量管理方法。為抑制地球溫暖化．自然能源發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能發(fā)電等應(yīng)用日益廣泛。住宅用的太陽能發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池板的直流電轉(zhuǎn)換成交流電。由于調(diào)整電壓的功率變換器安裝在室內(nèi)，因此需要功率變換器尺寸盡可能小。同時，為提高功率變換器的效率．需功率變換器的功率器件能耗盡量低。針對太陽能發(fā)電的功率變換器開發(fā)出光伏智能功率模塊(PV．IPM)。1）PV-IPM的特征圖l為PM5086LA060內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。該模塊將單相輸出逆變電路、兩個斬波電路(有些模塊僅有一個斬波電路．而有的則無斬波電路)及控制芯片集成在較小尺寸的封裝中。PV．IPM采用CSTBTTM硅片技術(shù)實現(xiàn)低損耗。在IGBT硅片上還集成了用于準(zhǔn)確監(jiān)測硅片結(jié)溫Tj的溫度傳感器。PV-IPM具有短路保護(hù)、控制電源欠電壓保護(hù)以及過溫保護(hù)功能。當(dāng)PV-IPM檢測到過溫、負(fù)載(橋臂)短路、控制電源欠電壓時，會立即關(guān)斷IGBT，同時產(chǎn)生并輸出故障信號FO。此外，內(nèi)部控制芯片能根據(jù)測得的集電極電流調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動電阻．從而有效減小噪聲。研發(fā)出采用PV—IPM光伏并網(wǎng)逆變器的PM5086LA060型樣機．在此主要介紹其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制方法，以及樣機的實驗結(jié)果。2）光伏并網(wǎng)逆變器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2示出光伏逆變器系統(tǒng)主電路拓?fù)?。該結(jié)構(gòu)特點是：升壓單元由兩路獨立的升壓變換器組成，可在不同輸入電壓和輸入功率下運行，滿足用戶的不同需求。兩路輸入電池板可根據(jù)實際環(huán)境的需要確定不同的安裝方向，兩路獨立的升壓變換器各自輸出的能量在母線電容匯總后．經(jīng)后級逆變器饋送給電網(wǎng)：若僅有一路光伏板輸入，可用任意一路作為前級升壓模塊；每路升壓變換器有獨立的最大功率點跟蹤(MPPlr)控制。使系統(tǒng)工作在當(dāng)前最大功率點(MPP)，提高系統(tǒng)工作效率。3）控制方法圖3為前級Boost變換器及其控制框圖。電壓環(huán)輸入?yún)⒖贾礥r以為當(dāng)前MPP工作電壓值，良好的電壓環(huán)路控制，使得升壓變換器的輸入電壓能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤當(dāng)前Ur。變換器將光伏陣列輸出的低壓直流電升壓為高壓直流電，向直流母線輸入能量。后級逆變器通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)功率的大小維持育流母線電壓的穩(wěn)定。因此可認(rèn)為Boost變換器的負(fù)載為直流電壓源。Boost通過控制輸入端的電壓來調(diào)節(jié)PV陣列的工作點。從而實現(xiàn)MPPT控制。 后級逆變器采用電流控制模式工作。并網(wǎng)電流的大?。床⒕W(wǎng)功