单相逆变器智能功率模块应用电路设计

1 引言

    智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护功能、抗干扰能力强、无须采取防静电措施、体积小等优点在电力电子领域得到越来越广泛的应用。以PM200DSA060型IPM为例。介绍IPM应用电路设计和在单相逆变器中的应用。

2 IPM的结构

    IPM由高速、低功率IGWT、优选的门级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高电流密度、低饱和电压、高耐压、MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。

    根据内部功率电路配置情况，IPM有多种类型，如PM200DSA060型：IPM为D型(内部集成2个IGBT)．其内部功能框图如图1所示，内部结构如图2所示。内有驱动和保护电路，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护、过流保护和短路保护，当其中任一种保护功能动作时。IPM将输出故障信号FO。

    IPM内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。为了保证IPM安全可靠。需要自己设计部分外围电路。

3 IPM的外部驱动电路设计

    IPM的外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路之间的接口，良好的外部驱动电路对以IPM构成的系统的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。

    由IPM内部结构图可见．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对驱动电路输出电压的要求很严格：驱动电压范围为13．5V~16．5V．电压低于13．5V将发生欠压保护．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(2Vces)；驱动电流达19mA一26mA；驱动电路输出端的滤波电容不能太大．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。

    图3所示是一种典型的高可靠性IPM外部驱动电路方案。来自控制电路的PWM信号经R1限流．再经高速光耦隔离并放大后接IPM内部驱动电路并控制开关管工作，FO信号也经过光耦隔离输出。其中每个开关管的控制电源端采用独立隔离的稳压。15V电源，且接1只10μF的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl根据控制电路的输出电流选取．如用DSP产生PWM．则R1的阻值可为330Ω。R2根据IPM驱动电流选值，一方面应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声．另一方面又要足够可靠地控制IPM。可在2kΩ~6．8kΩ内选取。C1为2端与地间的O．1μF滤波电容器，PWM隔离光耦的要求是tPLH10kV／μs，可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦输入端接1只O．1μ的退耦电容器(图中未画出)。FO输出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的内部引脚功能如表1所示。

    图3的外部接口电路直接固定在PCB上且靠近模块输入脚．以减少噪声和干扰．PCB上布线的距离应适当，避免开关时干扰引起的电位变化。

    另外，考虑到强电可能造成外部驱动电路到IPM引线的干扰，可以在引脚1~4间，3~4间，4~5间根据干扰大小加滤波电容器。

4 IPM的保护电路设计

    由于。IPM本身提供的保护电路不具备自保护功能．所以要通过外围硬件或软件的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，实现保护。

4．1 硬件

    IPM有故障时，FO输出低电平，通过高速光耦到达硬件电路，关断PWM输出，从而达到保护IPM的目的。具体硬件连接方式如下：在PWM接口电路前置带控制端的3态收发器(如74HC245)。PWM信号经过3态收发器后送至IPM接口电路．IPM的故障输出信号FO经光耦隔离输出送入与非门。再送到3态收发器使能端OE。IPM正常工作时．与非门输出为低电平。3态收发器选通；IPM有故障时。与非门输出为高电平。3态收发器所有输出置为高阻态。封锁各个IPM的控制信号．关断IPM．实现保护。

4．2 软件

    IPM有故障时．FO输出低电平，FO信号通过高速光耦送到控制器进行处理。处理器确认后。利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号．从而达到保护目的。如在基于DSP控制的系统中．利用事件管理器中功率驱动保护引脚(PDPINT)中断实现对IPM的保护。通常1个事件管理器严生的多路PWM可控制多个IPM工作．其中每个开关管均可输出FO信号，每个开关管的FO信号通过与门．当任一开关管有故障时输出低电平，与门输出低电平．将该引脚连至PDPINT，由于PDPINT为低电平时DSP中断，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，从而达到保护目的。

    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．因而弥补了IPM自身保护的不足，有效地保护了器件。

5 IPM的缓冲电路设计

    在IPM应用中，由于高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di／dt、dv／dt和瞬时功耗会对器件产生较大的冲击，易损坏器件．因此需设置缓冲电路(即吸收电路)，目的是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，降低器件开关损耗．保护器件安全运行。

    图4为常用的3种IPM缓冲电路。图4(a)为单只无感电容器构成的缓冲电路，对瞬变电压有效且成本低，适用于小功率IPM。图4(b)为RCD构成的缓冲电路，适用于较大功率IPM．缓冲二极管D可箝住瞬变电压，从而抑制由于母线寄生电感可能引起的寄生振荡。其RC时间常数应设计为开关周期的1／3，即r=T／3=1／3f。图4(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路，适用于大功率IPM。功能类似于图4(b)所示的缓冲电路，其回路电感更小。若同时配合使用图4(a)所示的缓冲电路。还能减小缓冲二极管的应力，缓冲效果更好。

    在图4(c)中，当IGBT关断时．负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电，同时集电极电流逐渐减少，由于电容器二端的电压不能突变．所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv／dt。也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。IGBT集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在IGBT开通时储存的能量，这时储存在缓冲电容器中。当IGBT开通时，集电极母线电感以及其他杂散电感又有效地限制了IGBT集电极电流上升率di／dt．同样也避免了集电极电压和集电极电流同时达到最大值。此时，缓冲电容器通过外接电阻器和IGBT开关放电，其储存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。如此，便将IGBT运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路．最后在相关电阻器上以热的形式耗散，从而保护IGBT安全运行。

    图4(c)中的电阻值和电容值按经验数据选取：如PM200DSA060的电容值为0．221xF~0．47xF,耐压值是IGBT的1．1倍~1．5倍，电阻值为10?—20?,电阻功率按P=fCU2xlO-6计算，其中f为IGBT工作频率，u为IGBT的工作峰值电压。C为缓冲电路与电阻器串联电容。二极管选用快恢复二极管。为了保证缓冲电路的可靠性，可以根据功率大小选择封装好的图4所示的缓冲电路。
 
    另外，由于母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对IPM尤其是大功率IPM有极大的影响，因此愈小愈好。要减小这些电感需从多方面人手：直流母线要尽量地短；缓冲电路要尽可能地靠近模块；选用低电感的聚丙烯无极电容器、与IPM相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。

6 IPM在单相全桥逆变器中的应用

    图5所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路包括逆变全桥和滤波电路，其中逆变全桥完成直流到交流的变换．滤波电路滤除谐波成分以获得需要的交流电；控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护功能。

    图中的逆变全桥由4个开关管和4个续流二极管组成，工作时开关管在高频条件下通断．开关瞬间开关管电压和电流变大，损耗大，结温升高，加上功率回路寄生电感、振荡及噪声等．极易导致开关管瞬间损坏，以往常用分立元件设计开关管的保护电路和驱动电路，导致电路庞大且不可靠。

    笔者采用一对PM200DSA060双单元IPM模块分别代替图中Vl、D1、V2、D2组合和V3、D3、v4、D4组合构成全桥逆变电路，利用DSP对IPM的控制，完成了中频率20kW、230V逆变器的设计和调试，采用了如上所述的驱动电路、图4(c)中的缓冲电路和基于DSP控制的软件IPM保护电路。设计实践表明：使用IPM可简化系统硬件电路、缩短系统开发时间、提高可靠性、缩小体积，提高保护能力。