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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。智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫,是一種先進(jìn)的功率開關(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(場效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗、高開關(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、檢測和保護(hù)電路,使用起來方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(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)選的門級驅(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)硬件電路簡單、可靠,縮短了系統(tǒng)開發(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)、過熱保護(hù)、過流保護(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)單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(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toff=10ms,發(fā)生欠壓保護(hù),封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號。
(2)過溫保護(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溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時(shí),發(fā)生過溫保護(hù),封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號。
(3)過流保護(hù)(OC):若流過IGBT的電流值超過過流動(dòng)作電流,且時(shí)間超過toff,則發(fā)生過流保護(hù),封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號。為避免發(fā)生過大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式,過流保護(hù)和短路保護(hù)操作可參見圖3。其中,VG為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓,ISC為短路電流值,IOC為過流電流值,IC為集電極電流,IFO為故障輸出電流。
(4)短路保護(hù)(SC):若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路,流過IGBT的電流值超過短路動(dòng)作電流,則立刻發(fā)生短路保護(hù),封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號。跟過流保護(hù)一樣,為避免發(fā)生過大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間,IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC),使響應(yīng)時(shí)間小于100ns,從而有效抑制了電流和功率峰值,提高了保護(hù)效果。
當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí),其故障輸出信號持續(xù)時(shí)間tFO為1.8ms(SC持續(xù)時(shí)間會長一些),此時(shí)間內(nèi)IPM會封鎖門極驅(qū)動(dòng),關(guān)斷IPM;故障輸出信號持續(xù)時(shí)間結(jié)束后,IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位,門極驅(qū)動(dòng)通道開放。
可以看出,器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的,如果tFO結(jié)束后故障源仍舊沒有排除,IPM就會重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程,反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況,應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作,因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行,需要輔助的外圍保護(hù)電路。
2 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路是IPM主電路和控制電路之間的接口,良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
2.1 IGBT的分立驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題亦即MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右,因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù),通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin,從而影響開關(guān)速度,后者的缺陷是將減小輸入阻抗,增大驅(qū)動(dòng)電流,使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍。圖4為IGBT柵極保護(hù)原理圖,其中,RG、DZ、Cin分別為等效柵極阻抗、穩(wěn)壓管和等效輸入電容。②盡管IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率很小,但由于MOSFET存在輸
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