智能功率模块IPM

1、智能功率模块智能功率模块IPM 小组成员：李海燕 朱莉莉 夏漪婷 金中亚 顾静静 黄银萍 l 本段介绍了智能功率模块IPM的特点和特性,分析了 IPM在应用设计过程中应考虑的诸多问题及解决方法。 l 把MOS管技术引入功率半导体器件的思想开创了革 命性的器件:绝缘栅双极晶体管IGBT。随着IGBT在工 作频率为20KHZ的硬开关及更高的软开关中的应用,它 已经代替了MOSFET和GTR,成为最主要的电力电子器 件。 l IGBT的发展使集外围电路内置于一块功率模块的智 能功率IPM脱颖而出。IPM内含栅极驱动、短路保护、 过流保护、过热保护和欠压锁定等功能,已被广泛用于 无噪声逆变器,低噪声U

2、PS系统和伺服控制器等设备上。 IPM使产品的体积减小,缩短了开发时间,简化了开发步 骤。 一、一、IPM的原理的原理 1、IPM的特点的特点 l1.1、IPM的构成 l智能功率模块IPM(Intelligent Powr Module)不仅 把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还内 藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将 检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速 低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保 护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可 以IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功 率开关元件,并内藏电流传感器及驱动电路的集成 结构。 l1.2、IPM的

3、优点 l(1)开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高 速型,而且驱动电路紧靠IGBT芯片,驱动延时 小,所以IPM开关速度快,损耗小。 l(2)低功耗。IPM内部的IGBT导通压降低,开关 速度快,故IPM功耗小。 l(3)快速的过流保护。IPM实时检测 IGBT电流, 当发生严重过载或直接短路时,IGBT将被软关 断,同时送出一个故障信号。 l(4)过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装 了一个温度传感器,当基板过热时, IPM内部控 制电路将截止栅级驱动,不响应输入控制信号。 l(5)桥臂对管互锁。在串联的桥臂上,上下桥臂 的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。 l(6)抗干扰能力

4、强。优化的门级驱动与 IGBT集 成,布局合理,无外部驱动线。 l(7)驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源 (一般为15V)就会造成驱动能力不够,增加导通 损坏。IPM自动检测驱动电源,当低于一定值超 过10s时,将截止驱动信号。 l(8)IPM内藏相关的外围电路。缩短开发了时间。 l(9)无须采取防静电措施。 l(10)大大减少了元件数目。体积相应小。 2、IPM参数和特性参数和特性 3、控制电路电源、控制电路电源 l3.1 、IPM控制功率消耗控制电路电流ID与 开关频率FC有关; 600V IPM控制电流(mA) l3.2、布线指南 六个或七个IGBT单元的IPM四组隔离的 供电电源,

5、两单元或一单元的则在三相大功 率中需要六组隔离电源,以避免噪声。 IPM 的控制电源端子应接一个至少10F的退耦 电容,该电容帮助过滤共模噪声并提供IPM栅 极电路所须电流。 4、接口电路、接口电路 l4.1、接口电路的要求 l 低电平开通，高电平截止。 l4.2、布线指南 l 接口电路设计主要考虑的是dv/dt噪声耦合问 题。不应把PCB板上走线布的太过靠近,否则开 关使电位发生变化。必须屏蔽！推荐光耦:t PLH ,t PHL 10kV/s。通常型 号:HCPL4503,HCPL4504, PS2041(NEC),在光 耦合端接一个0.1F的退耦电容。控制端上拉电 阻应尽可能小以避免高阻抗

6、IPM拾取噪声,但又 要足够可靠地控制IPM。低速光耦可用于故障 输出端和制动输入端。 l4.3、接口电路的连接 l把接口直接做在PCB板上可靠近模块输入脚以 减少噪声，如图1所示。 l4.4 、FO输出信号的使用 l当TFO=1.8ms(典型值)有效时,IPM会关断开关 并使输入无效。在 FO结束后,自动复位,同时使 输入有效。在 FO输出时系统必须在1.8ms内使 PWM信号无效,等故障排除后方可重新有效。 必须避免重复故障而导致结温升高损坏IPM。 系统可通过检测tFO时间长度来确定是过流还 是短路引起(1.8ms),过热时间会长一些。过热 复位一般要等基板冷却到OTR以下需要几十秒 钟

7、。 5、结语、结语 l由于IPM均采用具有标准化的逻辑电平的栅控 接口,使IPM很方便与控制电路板相连接。IPM 在故障情况下的自保护能力,降低了器件在开 发和使用中损坏的机会,大大提高了整机的可 靠性,被广泛地应用于工业,军事等电力电子系 统。 二、二、IPM的应用的应用 l1、IPM模块在变频器中的应用 随着电力电子技术、计算机技术和超大规模集成电路技 术的快速发展，变频调速系统趋向数字化和高集成度方向 发展。变频器的功率器件也经历了从SCR, GTO到IGBT的 发展历程，控制方式也从最初的v/f控制，发展到矢量控制， 直接转矩控制。变频家电等控制系统中，功率驱动器件是 必不可少的，智能

8、功率模（IPM）就是一个典型的高度集成 的功率驱动器件，然而，电力变换技术的进步和电力变换 器的广泛应用也带来了很多弊端，其产生的公害电磁干 扰以及谐波污染已成为世人关注的社会问题。而双PWM变 频调速技术以其可以实现电机的四象限运行、能量转换效 率高、能量能双向流动，尤其是能方便地实现电网侧输入 功率因数近似为1，消除了谐波污染等特点已成为研究的一 个热点。 1）在变频调速控制器中的应用）在变频调速控制器中的应用 l单电源IPM模块应用非常广泛，尤其在中小功率 变频系统中，如工业洗衣机控制用变频器，纺织 机控制用储纬器，注塑机控制系统中等，家电行 业应用也非常广泛，如变频空调、洗衣机、冰箱

9、等。下面以IPM模块在小功率变频器中的实际使 用情况，具体说明单电源ipm在系统中的应用。 l单电源IPM模块在系统中应用示意图如图4所示。 由于系统中使用了单电源IPM模块，即只 需要给IPM模块提供一路电源，整个系统可 以共一个参考地，这样可以减少用于电气隔 离用的光耦，包括6路IPM驱动信号，故障检 测信号。另外，电压、电流检测也可以方便 地通过检测直流侧电压和n线电流，而不需要 电压互感器和电流互感器，从而大大降低系 统的硬件成本。 2）在双）在双PWM变频器中的应用变频器中的应用 l双PWM变频器中整流及逆变部分均需要采用六个 IGBT开关管进行控制，如果采用单独的IGBT开关 管再

10、加上续流二极管，势必会使得变频器的体积增 大。而采用IPM智能模块就可以很方便的节约成本 和减少体积。文中所介绍的IPM智能模块是富士公 司型号为6MBP20RH060的IPM智能模块，它内部 具有低功耗、软开关、高性能及拥有过热保护的高 可靠性IGBT。内置有过电流保护、短路保护、控 制电压欠压保护、过热保护及外部输出警报端口。 用这样的模块作为双PWM变频器的功率器件，大 大简化了硬件电路的设计，缩小了电源体积，简化 了接线，大大缩短了开发周期，更主要的是，它提 高了系统的安全性和可靠性。 结构原理结构原理 基于基于IPM的双的双PWM变频调速系统框图变频调速系统框图 双PWM变频调速系统

11、以其优越的性能越来越 受关注，但整流部分由原先的整流二极管替换成 可控器件势必增加了成本，然而IPM智能模块的 出现不仅为降低成本提供了可能性，而且其高度 的集成性和保护性能为设计提供了极大的方便。 因此采用IPM智能模块设计双PWM变频调速系统 具有电路设计简单、保护措施完善、体积小等特 点，具有很好的发展前景。影响整个系统的性能。 2、智能功率模块在电动汽车中的、智能功率模块在电动汽车中的 应用应用 l节能和可替代能源的探索已成为当今工业发展 的主题而且这一趋势还将持续。风能、太阳 能和电动汽车近年来得到蓬勃发展，而电力电 子器件则成为这些领域的热点。 l系统硬件配置以TMS320LF24

12、07为核心的硬件 控制系统结构如图2所示，主要由以下几部分 构成:控制器核心TMS320LF2407，外围接口 电路、功率开关模块及其驱动，DC-DC变换模 块。 l电动汽车的种类有很多，包括纯电动汽车、 混合动力汽车和燃料电池汽车等。纯电动汽 车是用电代替内燃机驱动的汽车。其电机工 作的能源来自于蓄电池。图6示出其应用框 图。 高度集成的技术使得IPM能够显著简化整个 PWM变频器的设计。变频器开发工程师只需设 计简单的绝缘接口和4个或者6个IPM供电电源电 路。简化的外围电路能够很好的满足电动汽车变 频器对于单位体积内功率密度高的要求。当IPM 快速关断时储存在杂散电感中的能量耗散在开 关

13、器件上。从而在开关器件上会产生浪涌电压。 浪涌电压的值直接与杂散电感值以及集电极电流 关断变化率相关。因此。功率部分的换流电路设 计必须尽可能地降低杂散电感。电动汽车变频器 通常采用叠层母线排可有效降低杂散电感。即使 IPM在直流母线电压很高时发生短路关断，浪涌 过电压也不会超过模块的耐压极限。 l图7示出逆变器在发生相间短路时的IPM内部 IGBT单元的测试波形。电动汽车通常采用水 冷散热。为提高冷却能力，水冷的水路应设计 在IPM内的IGBT硅片正下方。此外，必须确保 这些水路的密封以避免泄露，并选择合适的位 置以消除管道与安装孔之间的冲突。高效的散 热系统能保证功率循环寿命和热循环寿命。

14、 3、IPM在雷达伺服系统中的应用在雷达伺服系统中的应用 l智能功率模块( IPM ) 出现于上世纪九十年代, 它通过采用先进的材料和工艺将功率单元、驱 动单元、逻辑单元、传感单元和保护单元等集 成于一体, 这样不仅应用方便, 更关键的是它提 高了系统的可靠性, 并缩小了体积。某些雷达系 统在设计时要求体积小、重量轻和可 靠性高, 而采用常规的设计将难以达到这一要求, 为 此, 我们采用智能功率模块来解决这个非常棘手的 问题, 并研制出无刷直流电动机驱动的高性能雷 达伺系统。 1）雷达伺服系统）雷达伺服系统 l 早期的雷达伺服系统中多采用普通直流电动机 作为执 行元件来完成对雷达天线的驱动控制

15、。但是, 普通直流电 动机由于使用了电刷和机械换向器, 因此在工作时会产生 电火花干扰, 且碳刷在一些环境中磨损快、寿命短, 维护 不便。而稀土永磁无刷直流电动机作为一种新型的驱动 执行元件, 采用了电子换向, 因而具有可靠性高、寿命长、 无电火花干扰的特点, 它同时还具有低转速、大转矩、高 精度等性能。目前, 采用无刷直 流电动机作为驱动执行 元件的伺服系统在一些雷达系统中已经开始应用。采用 无刷直流电动机作为驱动执行元件的雷达伺服系统原理 框图如图 1 所示。 2）无刷直流电动机及其控制）无刷直流电动机及其控制 l无刷直流电机 l稀土永磁无刷直流电机是一种新型的电动机, 其相电势为 梯形波

16、, 电枢电流为120 度矩形波。它的基本构成包括 电动机本体、控制器和位置传感器三部分, 电机的三相 定子绕组分别与作为功率电子开关的桥式主回路中相应 的功率开关管连接。由于采用脉宽调制 (PWM ) 控制, 所 以, 电子开关电路由功率开关单元、位置传感器信号处 理单元和脉宽调制器组成, 用来控制电动机定子各相绕组 通电的顺序与时间。位置传感器的跟踪转子与电动机转 轴相连接, 它将转子磁钢位置变换成电信号, 经位置传感 器信号处理单元处理后, 去控制功率电子开关, 使定子相 电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。随着各相 绕组按一定顺序工作,在电机中就产生了旋转磁场, 从而 拖动永磁转子旋

17、转。 l无刷直流电动机的控制 l无刷直流电动机系统的原理框图如图2 所示。 它由脉宽调制器、无刷直流电动机的换相处理、 驱动与保护及桥式逆变主回路几部分组成。本 系统中驱动采用IPM , 主回路为脉宽调制式变 换器, 即PWM变换器。PWM变换器分为不可 逆和可逆两类, 它在控制上又分为双极式和单 极式两种方式。由于双极式可逆分为双极式和 单极式两种方式。由于双极式可逆 PWM运行, 因此, 在静、动态性能要求比较高的雷达伺服 系统中应采用双极式可逆PWM 变换器。 3）IPM模块模块MSK4462及其应用及其应用 l一般说来, 智能功率模块( IPM ) 包含有数字接 口电路、驱动电路、功率

18、器件、保护电路、内 部DC -DC变换器等部分, 是数模混合式大规模 集成电路。事实上, 智能功率模块是复杂分立器 件的集成, 它在原理上并没有增加新的功能。智 能功率模块是微电子技术和电力电子技术相结 合的产物, 它是计算机与电气设备之间的关键接 口。 IPM 模块M SK4462 是一种无刷直流电动 机的控制驱动功率模块,用 IPM 模块M SK4462 可方便地构成如图 1 所示的无刷直流 电动机驱动的高性能雷达伺服系统, 该系统中 电机换相信号由M SK4462 内部的换相逻辑 电 路产生, 而 IPM 模块M SK4462 外加补偿 网络即可构成电流P I 调节器, 以实现电流的 闭

19、环控制。考虑到超调小、电流跟随性好等性 能, 电流环可按典型型系统校正。由 IPM 模 块MSK4462 构成的上述雷达伺服系统具有体 积小、重量轻、可靠性高的优点。 4、IPM智能模块设智能模块设PWM整流器的应用整流器的应用 l1）模块介绍 l文中介绍的是富士公司型号为 6MBP30RH060的 IPM智能模块，该模块不仅 具有一般 IPM的功能外，还具有采用低功耗软 开关技术；带温度保护的高性能高可靠性的 IGBT。 结构原理如图 1所示。 l电气特性 l6MBP30RH060的IPM智能模块为额定电流 30A，耐压值600V，直流母线耐压值450V， 抗浪涌值为500V。开关频率最小1

20、KHz，最大 20KHz。对于 PWM整流器来说，可以采用 20KHz的开关频率。 l保护功能 lIPM的保护功能应对的是非反复性异常现象， 只是起到警告的作用，并不能消除故障。当发 出警报时，请停止设备使用，不要施加超过额 定值的输入。 lA、过电流保护。 B、短路保护。 lC、欠压保护功能。D、过热保护。 2）基于）基于IPM智能模块的电路设计智能模块的电路设计 5、基于PVIPM的光伏并网逆变器 l一种基于PM5086LA060的双输入组串光伏并网逆变器。 两支路具有独立的Boost变换器和最大功率点跟踪控制， 可接不同规格的电池组串作为输入，极便于光伏系统的 配置。介绍了系统的电路结构

21、、光伏智能功率模块 (PhotovohaicIntelligent Power Moduh。简称 PVIPM)的特点，给出光伏并网逆变器采用的控制方 法。系统有两级能量变换单元，给出了两级式并网逆变 器的能量管理方法。 l为抑制地球温暖化自然能源发电系统，如太阳能发电 等应用日益广泛。住宅用的太阳能发电系统将太阳能电 池板的直流电转换成交流电。由于调整电压的功率变换 器安装在室内，因此需要功率变换器尺寸尽可能小。同 时，为提高功率变换器的效率需功率变换器的功率器 件能耗尽量低。针对太阳能发电的功率变换器开发出光 伏智能功率模块(PVIPM)。 l1）PV-IPM的特征 l图l为PM5086LA

22、060内部结构框图。该模块将单相输 出逆变电路、两个斩波电路(有些模块仅有一个斩波电 路而有的则无斩波电路)及控制芯片集成在较小尺寸 的封装中。PVIPM采用CSTBTTM硅片技术实现低 损耗。在IGBT硅片上还集成了用于准确监测硅片结温 Tj的温度传感器。PV-IPM具有短路保护、控制电源欠 电压保护以及过温保护功能。当PV-IPM检测到过温、 负载 (桥臂)短路、控制电源欠电压时，会立即关断 IGBT，同时产生并输出故障信号FO。此外，内部控制 芯片能根据测得的集电极电流调节栅极驱动电阻从 而有效减小噪声。研发出采用PVIPM光伏并网逆变 器的PM5086LA060型样机在此主要介绍其系统结构、 控制方法，以及样机的实验结果。 l2）光伏并网逆变器的系统结构 l 图2示出光伏逆变器系统主电路拓扑。该结构 特点是：升压单元由两路独立的升压变换器组 成，可在不同输入电压和输入功率下运行，满 足用户的不同需求。两路输入电池板可根据实 际环境的需要确定不同的安装方向，两路独立 的升压变换器各自输出的能量在母线电容汇总 后经后级逆变器馈送给电网：若仅有一路光 伏板输入，可用任意一路作为前级升压模块；