IPM驱动和保护电路的研究

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摘要：介绍了IPM的基本工作特性和常用IPM驱动和保护电路的设计方法，并给出了一个驱动和保护电路的设计实例。

    关键词：IGBT（绝缘栅双极性晶体管） IPM（智能功率模块） PIC（功率集成电路）

智能功率模块（ＩＰＭ）是Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ的缩写，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的优点，以及ＭＯＳＦＥＴ（场效应晶体管）高输入阻抗、javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>高开关频率和低驱动功率的优点。而且ＩＰＭ内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路（ＰＩＣ），在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０为例，介绍ＩＰＭ的基本特性，然后着重介绍ＩＰＭ的驱动和保护电路的设计。

１ ＩＰＭ的基本工作特性

１．１ ＩＰＭ的结构

ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的复合，由ＭＯＳＦＥＴ驱动ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有两者的优点。

ＩＰＭ根据内部功率电路配置的不同可分为四类：Ｈ型（内部封装一个ＩＧＢＴ）、Ｄ型（内部封装两个ＩＧＢＴ）、Ｃ型（内部封装六个ＩＧＢＴ）和Ｒ型（内部封装七个ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多层环氧绝缘系统，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷绝缘。

１．２ ＩＰＭ内部功能机制

ＩＰＭ的功能框图如图２所示。ＩＰＭ内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。

ＩＰＭ内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的ＩＧＢＴ模块相比，ＩＰＭ在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。
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    保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果ＩＰＭ模块中有一种保护电路动作，ＩＧＢＴ栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号（ＦＯ）。各种保护功能具体如下：

（１）控制电压欠压保护（ＵＶ）：ＩＰＭ使用单一的＋１５Ｖ供电，若供电电压低于１２．５Ｖ,且时间超过ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

（２）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，当ＩＰＭ温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

（３）过流保护(ＯＣ)：若流过ＩＧＢＴ的电流值超过过流动作电流，且时间超过ｔｏｆｆ，则发生过流保护，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采用两级关断模式，过流保护和短路保护操作可参见图３。其中，ＶＧ为内部门极驱动电压，ＩＳＣ为短路电流值，ＩＯＣ为过流电流值，ＩＣ为集电极电流，ＩＦＯ为故障输出电流。
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    （４）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，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数ＩＰＭ采用两级关断模式。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）,使响应时间小于１００ｎｓ，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。

当ＩＰＭ发生ＵＶ、ＯＣ、ＯＴ、ＳＣ中任一故障时，其故障输出信号持续时间ｔＦＯ为１．８ｍｓ（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ｔＦＯ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自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。

２ ＩＰＭ驱动电路的设计

驱动电路是ＩＰＭ主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

２．１ ＩＧＢＴ的分立驱动电路的设计

ＩＧＢＴ的驱动设计问题亦即ＭＯＳＦＥＴ的驱动设计问题,设计时应注意以下几点：①ＩＧＢＴ栅极耐压一般在±２０Ｖ左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Ｃｉｎ，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。图４为ＩＧＢＴ栅极保护原理图，其中，ＲＧ、ＤＺ、Ｃｉｎ分别为等效栅极阻抗、稳压管和等效输入电容。②尽管ＩＧＢＴ所需驱动功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在输入电容Ｃｉｎ，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大，这一点设计者往往忽略。假定开通驱动时，在上升时间ｔｒ内线性地对ＭＯＳＦＥＴ输入电容Ｃｉｎ充电，则驱动电流为Ｉｇｔ＝CinUgs/tr，其中可取ｔｒ＝２.２ＲＣｉｎ，Ｒ为输入回路电阻。③为可靠关闭ＩＧＢＴ, 防止擎住现象, 要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。

２．２ ＩＧＢＴ集成式驱动电路

ＩＧＢＴ的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的ＥＸＢ系列集成电路、法国汤姆森公司的ＵＡ４００２集成电路等应用都很广泛。

２．３ ＩＰＭ驱动电路设计

现以ＰＭ１００ＤＳＡ１２０为例进行介绍。ＰＭ１００ＤＳＡ１２０是一种Ｄ型的ＩＰＭ，内部封装了两个ＩＧＢＴ，工作在１２００Ｖ／１００Ａ以下，功率器件的开关频率最大为２０ｋＨｚ。由于ＩＰＭ内置了驱动电路，与ＩＧＢＴ驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供１５Ｖ直流电压即可。

但是ＩＰＭ对驱动电路输出电压的要求很严格?熏具体为：①驱动电压范围为１５Ｖ±１０％?熏电压低于１３．５Ｖ将发生欠压保护，电压高于１６．５Ｖ将可能损坏内部部件。②驱动电压相互隔离，以避免地线噪声干扰。③驱动电源绝缘电压至少是ＩＰＭ极间反向耐压值的两倍（２Ｖｃｅｓ）。④驱动电流可以参阅器件给出的２０ｋＨｚ驱动电流要求，根据实际的开关频率加以修正。⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大，这是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。

这里介绍一种可获得高质量１５Ｖ电源的方案。该方案驱动电路不仅结构紧凑、简单，而且抗干扰能力强，典型电路如图５所示。

图5 IPM驱动电路和外围隔离电路

   

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