IPM在電力機(jī)車大功率開關(guān)電源中的應(yīng)用
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心。以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的功率器件，在眾多工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。IGBT作為一種典型的雙極性MOS復(fù)合型功率器件，集MOSFET與GTR(大功率晶體管)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的長處，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)。IPM(intelligent power
module)作為一種智能功率模塊，它以IGBT為基礎(chǔ)，內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上均有很大的提高，同時(shí)由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個(gè)系統(tǒng)的體積減小了很多，適應(yīng)了功率器件的發(fā)展方向，從而應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。
1 IPM的基本結(jié)構(gòu)
1.1 IPM結(jié)構(gòu)形式
IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和優(yōu)先的門級驅(qū)動及保護(hù)電路構(gòu)成，如圖1所示。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同，IPM分為H型、D型、C型和R型4種。圖中，H型內(nèi)部封裝1個(gè)IGBT，D型內(nèi)部封裝2個(gè)IGBT，C型內(nèi)部封裝6個(gè)IGBT，R型內(nèi)部封裝7個(gè)IGBT。
1.2 IPM的內(nèi)部機(jī)制
IPM內(nèi)部設(shè)有柵極驅(qū)動控制電路、故障檢測電路和各種保護(hù)電路，采用帶有電流傳感器的IGBT芯片，用以監(jiān)測IGBT的主電流。而內(nèi)部故障保護(hù)電路主要用以檢測過流、過熱和欠壓等故障。圖2為IPM功能框圖。
2 IPM保護(hù)功能
IPM內(nèi)置的驅(qū)動和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，也提高了系統(tǒng)在故障情況下的自我保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護(hù)電路，因而IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保護(hù)功能包括控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中的一種保護(hù)電路產(chǎn)生動作，其內(nèi)部的IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(Fo)。
(1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12.5 V，且時(shí)間超過toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。如圖3所示。
(2)過熱保護(hù)(0T)：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)生過熱保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。
(3)過流保護(hù)(0C)：若流過IGBT的電流值超過過流動作電流，且時(shí)間超過toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。為避免發(fā)生過大的電流變化率di/dt，大多數(shù)的IPM采用兩級關(guān)斷模式。如圖4所示。
(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作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。跟過流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的電流變化率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作問的響應(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100 ns，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中任一種故障時(shí)，IPM將立即輸出故障信號Fo，該故障信號持續(xù)時(shí)間tFo為1.8 ms(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，關(guān)斷IPM。當(dāng)故障輸出信號持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部會自動復(fù)位，門極驅(qū)動通道重新開放。
IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果在tFo結(jié)束后故障源仍然沒有被排除，則IPM就會重復(fù)自動保護(hù)的過程，反復(fù)動作。過流、短路、過熱保護(hù)動作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免其反復(fù)動作，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)。為了使系統(tǒng)真正安全、可靠地運(yùn)行，通常需要設(shè)計(jì)輔助的外圍保護(hù)電路。同時(shí)，IPM對欠壓、過流、短路和過熱等故障發(fā)生時(shí)，均輸出同一個(gè)故障信號Fo因而主控系統(tǒng)無法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進(jìn)一步的故障診斷技術(shù)。
3 IPM在電力機(jī)車模塊化分布式大功率開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用
電力機(jī)車中的110 V穩(wěn)壓電源是為機(jī)車上的各種控制器件以及儀表照明和信號顯示屏等相關(guān)設(shè)備提供動力，因而對整個(gè)電力機(jī)車來講至關(guān)重要。電力機(jī)車110 V穩(wěn)壓電源的輸出功率大，對穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。為了滿足系統(tǒng)要求，采用了分布式結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)逆變模塊，通過負(fù)荷分擔(dān)的方式來組成大功率系統(tǒng)。同時(shí)，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來產(chǎn)生逆變器的控制信號，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可控制性。
IPM在應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)注意型號的選擇，不同型號的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時(shí)必須合理地預(yù)留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時(shí)要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問應(yīng)涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅(qū)動電路中地線噪聲的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意將驅(qū)動電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開關(guān)同時(shí)打開，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意采用死區(qū)控制方式。
筆者在“電力機(jī)車模塊化分布式110 V直流穩(wěn)壓電源”項(xiàng)目中選用了日本東芝的IPM模塊PM75CSA120作為逆變器主元件。M75CSAl20與主控制電路板采用光電耦合器件進(jìn)行隔離，在光電耦合器件的選型上，根據(jù)PM75CSAl20驅(qū)動的要求，對橋臂的驅(qū)動選用HCPL4504高速光電耦合器件，而在故障反饋回路，選用低速光電耦合器件PC817，這兩種光電耦合器件都具有很好的共模抑制特性，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。其電路如圖5所示。
IPM逆變器控制信號由DSP控制單元產(chǎn)生，DSP選用了TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理芯片。功率驅(qū)動電路的輸入(即IPM的控制信號)由
TMS320F2812內(nèi)含的全比較單元相對應(yīng)的PWM0～PWM3產(chǎn)生。
TMS320F2812的事件管理器模塊包含了兩個(gè)功率驅(qū)動保護(hù)中斷引腳(PDPINTx，x=A或B)，當(dāng)IPM過壓、過流、短路及溫度的急劇上升時(shí)，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)。因此功率驅(qū)動保護(hù)中斷引腳可用來監(jiān)測直流電源的異常情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。
在實(shí)際的電源調(diào)試過程中，盡管輸出的電流達(dá)到了20 A，但I(xiàn)PM工作仍然十分穩(wěn)定，通過人為設(shè)置故障，IPM保護(hù)電路反應(yīng)迅速，同時(shí)有效輸出故障信號，從保護(hù)了功率器件，提高了電源的穩(wěn)定性。
4 結(jié)語
IPM作為一種智能功率器件，以其損耗小，開關(guān)速度快，耐壓等級高，體積小，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用。IPM在大功率逆變電源的應(yīng)用中，減小了電源的體積和重量，提高了轉(zhuǎn)換效率，保證了電源的穩(wěn)定可靠性能。
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