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IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的研究
摘要:介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法,并給出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。關(guān)鍵詞:IGBT(絕緣柵雙極性晶體管) IPM(智能功率模塊) PIC(功率集成電路)
智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫(xiě),是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件,具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn),以及MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路,使用起來(lái)方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間,也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路(PIC),在電力電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文以三菱公司PM100DSA120為例,介紹IPM的基本特性,然后著重介紹IPM的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
1 IPM的基本工作特性
1.1 IPM的結(jié)構(gòu)
IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成,如圖1所示。其中,IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合,由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR,因而IGBT具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。
IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT)。小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng),中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。
1.2 IPM內(nèi)部功能機(jī)制
IPM的功能框圖如圖2所示。IPM內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路,隔離接口電路需用戶自己設(shè)計(jì)。
IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠,縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間,也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比,IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。
保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作,IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO)。各種保護(hù)功能具體如下:
(1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV):IPM使用單一的+15V供電,若供電電壓低于12.5V,且時(shí)間超過(guò)toff=10ms,發(fā)生欠壓保護(hù),封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號(hào)。
(2)過(guò)溫保護(hù)(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器,當(dāng)IPM溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí),發(fā)生過(guò)溫保護(hù),封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號(hào)。
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