新型调频高压电源的研制

新型调频高压电源的研制
摘要：IPM（智能功率模块）是一种先进的功率开关器件，IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，兼有GTR（大功率晶体管）高电流、低饱和电压和高耐
压的优点，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，适应了当今功率器件的发展方向。

关键词：IPM（智能功率模块）；过流保护；新型调频电源
引言
智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种保护作用、使用起来方便，不仅减少了系统的体积，缩短了开发时间，也
增强了系统的可靠性，介绍IPM应用电路设计和在新型调频高压电源中的应用。

1.IPM模块驱动电路是IPM模块内部电路和控制电路间的接口
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。

IPM模块PM25RLA120的外围驱动
电路如图所示。

2.IPM的缓冲电路设计
在IPM应用中，为了改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过压，需设置缓冲
电路(即吸收电路)，这样能够有效降低器件开关损耗．保护器件安全运行。

当IGBT关断时．由于电容器二端的电压不能突变，负载电流经缓冲二极管向缓冲电
容器充电，所以有效地限制了IGBT集电极电压上升率dv／dt。

如此，便将IGBT
运行时产生的开关损耗转移到缓冲电路，从而保护IGBT安全运行。

另外，选用低电感的聚丙烯无极电容器、和IPM相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。

3.IPM在单相全桥逆变器中的应用
工作时开关管在高频条件下通断．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。

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，单相全桥逆变电路主要由逆变电
路和控制电路组成。

控制电路完成对逆变桥中开关管的控制并实现部分保护作用。

4.分析新型功率器件IPM
IPM内置的栅极驱动电路和保护电路智能功率模块的开关安全工作区和短路
安全工作区定义介绍如下：
4.1开关安全工作区
对于IPM，内置栅极驱动取消了因不正确的栅极驱动而造成的许多电压和电
流的危险组合，此外，最大工作电流受过流保护电路的限制。

开关（关断）安全
工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流。

4.2IPM智能功率模块的自保护作用
自保护特点：如果IPM模块其中有保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关
断电流并输出一个故障信号（FO）。

IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失
灵或过应力而使功率器件损坏的情况。

过热保护：在接近IGBT芯片的绝缘基板上有温度传感器。

如果基板温度超出
过热动作数值（OT），IPM内部控制电路的工作，不影响控制输入信号，直到温
度恢复正常，从而保护了功率器件。

控制电源欠压锁定：内部控制电路由一个15V直流电源供电。

欠压保护电路
在控制电源上电和掉电期间都要保持工作。

当电源电压小于要求的欠压动作（UV）时，则该功率器件将被关断并输出一个故障信号。

保护后，要恢复正常工作，电
源电压必须超过欠压复位数值（UVr）。

短路保护：为缩短SC（短路保护动作数值）检测和SC关断之间的响应时间，IPM采用了实时电流控制电路（RTC）。

SC动作时，这时候的电流控制电路直接
监测IGBT驱动的末级电路，因此响应时间可以减小到不足100ns。

过流保护：如果流过IGBT的电流超出过流动作数值（OC）的时间大于
toff(OC)，IGBT将被关断。

当检测出过电流时，IGBT将被软关断，同时输出一个
故障信号。

受控的软关断能控制关断大电流而发生的浪涌电压。

5.IPM智能功率模块的驱动电路设计
5.1驱动电路的原理
用于空调机变频控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模
块――PM20CTM060驱动电路的原理图。

开关控制信号和故障信号是通过隔离接
口电路同系统控制器连接的。

TLP559的特点是开关速度高，每秒达1M次。

TLP521则具有电流传输比（CTR）大的特点，CTR值达200，图中的R508是一个
上拉电阻，它是确保在IPM智能功率模块没有故障时VFO的输出为高电平。

5.2驱动电路印刷电路板的设计
IPM模块的静电防护：带静电的人体或其它过大的电压施加到栅-源（或发射极）上可能毁坏芯片。

抗静电的基本措施就是尽量阻止静电的产生并尽快将电荷
释放掉在电控箱体的装配过程中，应将测试设备和人体良好接地。

结语
伴随变频技术的逐渐成熟，IPM也逐渐应用在变频家电中，这也必将推动
IPM技术的发展，早日开发出性价比更高的智能功率模块。

基于IPM模块的控制
电路具有集成度高、响应速度快、驱动能力强等优点，极大地提高控制电路的可
靠性并缩小控制系统的体积，降低产品成本，有着良好的应用前景。

参考文献
[1]周有立.基于LPC3250变频电动执行器实现[J]《微特电机》，2009年.
[2]徐良波.基于IPM模块的舵机控制电路设计[J]《现代电子技术》，2012年.
[3]龙晓芬.基于DSP的感应电动机交流调速实验平台的研究与设计[学位论文]，2012年中南大学.
[4]王耀北闫英敏.单相逆变器智能功率模块应用电路设计[J]《国外电子元器件》2006,(3).。