基于三菱IPM模块的外围接口电路的设计

1、 IPM 是一种先进的功率 开 关 器 件 , 具 有 GTR(大功率晶体管 高电流密度、 低饱和电压和耐高压 特点 , 并具有 MOSFET (场效应晶体管 高输入阻抗、 高开关频率和低驱动功率等优点。 IPM 内部集成了 逻辑、 控制、 检测和保护电路 , 不仅减小了系统的体 积以及开发时间 , 也增强了系统的可靠性 1。近年来 , 在工业器械方面的通用变频、 交流伺服等电机控制装置中 , 除了对高性能化、 小型化、 低 功耗化的需求之外 , 对于易用性、 顾全环境等新要求 也在逐年增高 , 三菱公司为满足市场新需求 , 推出了第 5代 IPM 产品群。 本文以三菱公司的第 5代 L 系

2、列 IPM 模块 PM25RLA120为例 , 介绍了 IPM 外围 驱动和保护电路的设计 , 并提供了一种 IPM 过流保 护功能硬件电路的设计方法。1IPM 的基本工作特性1.1IPM 的结构IPM 由高速、低功率 IGBT 、 优选的门极驱动器 及保护电路构成。 其中 , IGBT 是 GTR 和 MOSFET 的 复合 , 由 MOSFET 驱动 GTR , 因而 IPM 具有 GTR 和文章编号 :1001-9944(200801-0057-04收稿日期 2006-11-23; 修订日期 :2007-08-10作者简介 :李爱英 (1981- , 女 , 硕士研究生 , 助理工程师

3、, 研究方向为交流伺服控制。基于三菱 IPM 模块的外围接口电路的设计李爱英 , 程颖(连云港杰瑞电子有限公司 , 连云港 222006摘要 :针对工业变频、交流伺服等市场领域对功率模块的需求 , 三菱公司开发了第 5代IPM 智能功率模块。该文简述了 IPM 模块的基本工作特性 , 然后以 L 系列 IPM25R LA120模块为例 , 详细介绍了 IPM 模块外围接口电路的设计 , 并提出了 IPM 过流保护的一种设 计方法。最后通过数字伺服驱动控制系统的项目实例 , 表明了该接口电路设计具有结构简 单、 抗干扰性强、 运行可靠等优点。 关键词 :智能功率模块 ; 驱动 ; 保护 中图分类

4、号 :TM921文献标志码 :BDesign of Peripheral Interface Circuit Based on Mitsubishi Electric IPM ModulesLI Ai-ying , CHENG Ying(JARI Lianyungang Electronics Co. , Ltd. , Lianyungang 222006, China Abstract :In order to meet the requirement of power modules in the fields industrial frequency conversion devices

5、 and AC servo control , mitsubishi electric developed the 5th generation IPM modules. In this paper , the basic work features of IPM are depicted firstly. Then it takes example for IPM25RLA120which is one of the L series IPM modules , the design of peripheral interface circuit with IPM modules is in

6、troduced. Also an approach of over-current protection is proposed. Finally , the experimental results of digital servo control system show the advantages of the in-terface circuit design such as simply configuration , good perturbation rejection and run dependability etc. Key words :intelligent powe

7、r module (IPM ; drive ; protection57 MOSFET 的优点。IPM 采用了许多在 IGBT 模块已经得到验证的 功率模块隔离封装技术。由于采用了两种不同的封 装技术 , 使得内置栅极驱动电路和保护电路能适用 的电流范围很宽 , 同时使造价维持在合理水平。小 功率器件 (1550 A 、 600V 和 (1015 A 、 1200V 采用 一种多层环氧树脂粘合绝缘技术 , 而中大功率器件 采用陶瓷绝缘技术 2。根据内部功率电路配置情况 , IPM 有 4种形式 :单管封装 (H 、 双管封装 (D 、 六合 一封装 (C 和七合一封装 (R , 如图 1所示。

8、1.2IPM 的内部功能机制IPM 内置栅极驱动和保护电路 , 保护功能有控 制电源欠压锁定保护、 过热保护和短路保护 , 一些六 管封装的 C 型模块还具有过流保护功能。当其中任 一种保护功能动作时 , IGBT 栅极驱动单元就会关断 门极电流 , 并输出一个故障信号。以 7管封装的 R 型 IPM 为例 , 其内部功能框图如图 2所示。IPM 的各种保护功能具体如下 :控制电压欠压保护 (UV (50300 A/600V 、 (25 150 A/1200V IPM 需要 4路隔离的 +15V 供电 , 控制 电 源 电 压 降 低 时 , 会 导 致 IGBT 的 Vce(sat 功 耗

9、增 加 , 为防止热损坏 , 当检测到控制电源电压低于 12.5V 时 , 发生欠压保护 , 封锁门极驱动电路 , 输出 故障信号。过温保护 (OT 在靠近 IGBT 芯片的绝缘基板 上安装了一个温度传感器 , 所以过温保护可直接检 测 IGBT 单元的硅片温度 , 当 IPM 温度传感器测出 基板的温度超过设定值 (OT 动作电平 时 , 发生过温 保护 , 封锁门极驱动电路 , 输出故障信号。短路保护 (SC 若负载发生短路或控制系统故 障导致短路 , 流过 IGBT 的电流值超过短路动作电 流 (一般为 IGBT 额定工作电流的 2倍 , 且短路时 间超过 t off (SC , 则发生

10、短路保护 , 封锁门极驱动电 路 , 输出故障信号。为避免发生过大的 di/dt , 大多数 IPM 用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测 和故障动作间的响应时间 , IPM 内部使用实时电流 控制电路 (RTC , 减小响应时间 , 从而有效抑制了电 流和功率峰值 , 提高了保护效果。过流保护 (OC 有些六管封装的 C 型 IPM 具 有过流保护功能。若流过 IGBT 的电流值超过过流 动作电流值 , 则发生过流保护 , 封锁门极驱动电路 , 输出故障信号。跟短路保护一样 , 为避免发生过大 的 di/dt , 大多数 IPM 采用两级关断模式。当 IPM 发生 UV 、 OT 、 S

11、C 、 OC 中任一故障时 , 其 故障输出信号持续时间 t FO 为 1.8ms (一般 SC 持续 时间会长一些 , 此时间内 IPM 会封锁门极驱动 , 关 断 IPM ; 故障输出信号持续时间结束后 , IPM 内部自 动复位 , 门极驱动通道开放。可以看出 , 器件自身产生的故障信号是非保持 性的 , 如果 t FO 结束后故障源仍旧没有排除 , IPM 就 会重复自动保护的过程 , 反复动作。过流、 短路、 过 热保护动作都是非常恶劣的运行状况 , 应避免其反 复动作。因此 , 仅靠 IPM 内部保护电路还不能完全 实现器件的保护 , 要使系统真正安全、 可靠运行 , 还 图 2I

12、PM 的功能框图Fig.2Functional block of IPM图 1IPM 的电路结构 Fig.1Circuit structure of IPM58 需要辅助的外围保护电路。2IPM 的外围驱动电路设计IPM 外部驱动电路是 IPM 内部电 路 和 控 制 电 路间的接口 , 良好的外部驱动电路对以 IPM 构成的 系统运行效率、 可靠性和安全性都有重要意义。 由 IPM 内部功能框图可见 , 器件本身含有驱动 电路。所以只要提供满足驱动功率要求的 PWM 信 号、 驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。 但是 , IPM 对驱动电源的要求很严格 :驱动电压范围 为 13.5V

13、 16.5V , 电压低于 13.5V IPM 将会误动作 , 甚至发生欠压保护 ; 电压高于 16.5V 可能损坏内部 部件 ; 驱动信号频率为 5Hz 20kHz , 且需采用电气隔 离装置 , 防止干扰 ; 驱动电源绝缘电压至少是 IPM 极间反向耐压值的 2倍 (2×Vces ; 驱动电路输出端 的滤波电容不能太大 , 因为当寄生电容超过 100pF 时 , 噪声干扰将可能误触发内部驱动电路 2。现以 PM25RLA120为例 , 设计了 IPM 的一种典 型外围驱动电路 , 如图 3所示。其中 , M57120L 和 M57140-01是三菱公司为其 IPM 系列产品专门配

14、 置的电压转换模块。在 M57120L 的输入端加一路 113400V 的直流电压即可在输出端得到一路 20V 的 直 流 电 压 , 为 M57140-01提 供 输 入 电 压 , M57140-01产生 IPM 所需的 4路相互隔离的 +15V 电压 ; IPM 的控制 输 入 信 号 经 高 速 光 耦 HCPL4504送到 IPM 的输入端 , 六路输入信号的电路结构均相 同 , 所以图中只画出其中的一路输入信号 ; 高速光耦 起到电气隔离 IPM 与外部电路的作用。 IPM 的控制 输入信号和故障输出信号均需通过光耦传输。在应用要求不高的场合也可以用常用的整流电 路得到 20V 直

15、流电压取代 M57120L 作为 M57140- 01的输入端 , 也可以采用整流电路直接得到 4路隔 离 +15V 电压 , 但效果不如图 3所示的方案。3IPM 的保护电路设计因 IPM 自身提供的 FO 信号不能保持 , 为避免 IPM 保护动作的反复性 , 一个完整的系统不能只依 靠 IPM 的内部保护机制 , 还需要辅助外围电路的保 护 , 外围辅助电路将内部提供的 FO 信号转换为封 锁 IPM 的控制信号 , 关断 IPM 输入信号 , 实现保护。 可通过硬件方式实现 , 也可通过软件方式实现。 3.1IPM 保护电路的硬件实现IPM 有故障时 , 故障输出端将输出低电平 , 通

16、过 低速光耦隔离 , 到达硬件电路 , 关断 PWM 输出 , 从 而实现保护 IPM 的目的。具体硬件连接方式如图 4所示。 PWM 信号经三态收发器 74HC245后 , 送至高 速光耦 HCPL4504, 经光耦隔离放大后接 IPM 内部 驱动电路控制 IGBT 工作。 IPM 的 4个故障信号 (包 括上臂 3管的故障输出端子和下臂管的 1个故障输 出端子 经低速光耦隔离后 , 再经与非门送至 JK 触 发器 , 从而达到锁存故障信号的目的。锁存器的负 端输出信号接收发器 74HC245的使能端 , 当 IPM 有 故障时 , JK 触发器的 J 端子为低电平 , 其负输出端 就为高电

17、平 , 收发器的输出被置为高阻态 , 封锁各个 IPM 的控制信号 , 关断 IPM , 实现保护。待故障解除 后 , 控制器发送故障清除信号 FAULT_CLR 至 JK 触 发器 , 即可重新使能 74HC245, 使 IPM 正常工作。 由于本保护电路是基于 PM25RLA120设计的 , 该 IPM 模块发生短路保护的动作电流值为 50A , 实 际应用中 , IPM 工作时可能达不到 50A 就应该封锁 IPM 的控制输入信号 , 所以本电路还设计了过流保 护功能。如图 4中的虚线框 1内所示 , 在 IPM 的负 母线端串接一霍尔电流元件来检测母线上的电流 , 其输出量为电压 ,

18、当母线上的电流超过实际应用中 的动作值时 , 比较器输出高电平 , 再串接一反相器 , 当发生过流时 , OC 端也输出低电平 , 与 IPM 的 4个 故障信号与非后一起送 JK 触发器的输入端。 3.2IPM 保护电路的软件实现IPM 有故障时 , IPM 的故障输出端子输出为低 电平 , IPM 的 4个故障输出信号通过高速光耦送至 与非门再传输到控制器进行处理 , 处理器确认后 , 利用中断或软件关断 IPM 的 PWM 控制信号 , 从而 达到保护 IPM 的目的。图 3IPM 驱动电路和外围隔离电路Fig.3Drive and peripheral isolated circuit

19、 of IPM59 图 4IPM 硬件保护电路Fig.4Hardware protective circuit of IPM以上 2种方案均利用 IPM 故障输出信号封锁 IPM 的控制信号通道 , 软件保护不需要增加硬件 , 简 便易行 , 但可能受到软件设计和计算机故障的影响 ; 硬件保护则反应迅速 , 工作可靠。应用中软件与硬 件结合的方法能更好的弥补 IPM 自身保护的不足 , 提高系统的可靠性。4IPM 在数字伺服驱动控制系统中的应用 在数字伺服驱动控制系统项目中 , 选用三菱公 司的 PM25RLA120作为功率变换器的主开关器件 , 控制器采用 TI 公司的 TMS320LF24

20、07A 数字信号处 理器 , 被控电机为 PMSM (永磁同步伺服电机 , 该电 机的最高转速为 3600r/min , 系统的整体结构框图如 图 5所示。功率驱动电路的输入 (即 IPM 的控制信 号 由 TMS320LF2407A 事件管理器 A 的全比较单 元相对应的 PWM1.PWM6产生。其中功率驱动和保护部分采用图 3和图 4所示 的驱动保护方案 , 由于 TMS320LF2407A 的事件管 理器 A 包括一个功率驱动保护中断引脚 PDPINTA , 当该引脚被拉低时 , 所有的事件管理器输出引脚均 被硬件设置为高阻态 3, 因此 PDPINTA 可用来作为 监控程序或硬件电路 , 提供电机驱动的异常情况 , 并 实现故障保护。如图 4所示的虚线框 2内 , 将 JK 触发器的负 输出端子接至 PDPINTA 引脚 , 由 DSP 的事件管理 器模块来关断 PWM 信号的输出 , 也可实现 IPM 的 硬件保护。若该功率驱动保护中断被使能 , 可在中 断服务程序中再次屏蔽 IPM 的输入信号 , 从而在软 件上实现保护 IPM 的目的 , 并向上位机发送故障信 息 , 通知用户。此伺服系统提供了位置、 速度和电流环控制 , 通 过通讯接口与上位机通讯 , 用户可通过