智能功率模块及其应用

普及与提高・POPULARIZATION&RAISING
智能功率模块及其应用
收稿日期:2002-11-26
于福振,吴玉广
(西安电子科技大学,陕西　西安　710071)
摘　要:介绍了智能功率模块IPM的一些基本知识,进一步介绍了东芝公司生产的MIG20J106L型IPM的内部原理,并阐述了MIG20J106L型IPM的内部保护功能。

同时还给出了MIG20J106L型IPM结合分立元件在电机驱动中应用的设计方案以及MIG20J106L型IPM结合单片机在变频器控制中的应用实例。

关键词:智能功率模块;故障保护;脉宽调制;变频器
中图分类号:TM301.2 文献标识码:B 文章编号:1001-6848(2003)01-0052-04
IPMMIG20J106L and Its Applications
YU Fu-zhen,WU Yu-guang
(Xidian University,Xi’an710071,China)
Abstract:Some basic knowledge about IPM is presented in this paper,further introduced the theory of IPM MIG20J106L made in Toshiba com.Ltd.Its application is also expatiated here.Emphasize protection function inside it.In this paper,the project of discrete-component and IPM MIG20J106L combination is adopted to design the inverter,mechanism of the production of three-phased PWM wave in the inverter is analyzed.Another example is the project of SCM and IPM combination.
Key words:intelligent power module;error protection;PWM;inverter
1　引　言
智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)不仅把功率器件和驱动电路集成在一起,而且内部还集成了过压、过热、欠压等故障监测电路,并可将监测信号送给控制电路。

既使发生过载或是使用不当,也可保证IPM自身不受损坏。

目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关元件,并且还集成有各种传感器。

IPM正以其可靠性高、使用方便的特点赢得越来越大的市场,尤其适合制作驱动电动机的变频器,是一种较为理想的电力电子器件。

2　智能功率模块
智能功率模块IPM是以功率器件IGBT为主体,同时把驱动电路和过流保护、短路保护、过热保护、欠压保护等多种保护集成在同一模块内的新型混合集成电路[1]。

与普通功率器件相比,由于IPM的开关损耗和通态损耗都比较低,使散热器尺寸减少,从而整个系统尺寸减小。

在系统性能上有进一步提高,可靠性也得到了改善。

IPM有6管三相全桥封装和七合一封装(三相全桥加1个泄放管)。

图1　IPM内部原理图
实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。

智能功率模块IPM的应用则较好的解决了这个问题。

IPM内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路。

内部传感器用于监测功率器件IGBT的主电路,内部故障保护电路用于检测过流、短路、过热、欠压等故障。

当出现任何一个故障时,内部电路会封锁驱动信号并外送一个“故障”信号,其内置续流二极管,具有快速的反向恢复特性,可较好的抑制电磁干扰噪声。

IPM内部(单管)原理如图1所示[2],其内部集成有驱动电路和各种保护电路,它用于防止因系统相互干扰或者过载等发生时造成功率芯片的损坏。

它所
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采用的故障检测方式和关断方式,可以使功率芯片的容量得到最大限度的利用而不会损坏其可靠性。

只要有一个保护电路起作用,IGBT的门极驱动电路就会关断,同时产生一个故障输出信号。

针对不同的需要可以设计不同的保护电路。

欠压锁定:IPM内部控制电路由外接的直流电源供电。

只要此电源电压下降到指定的阈值电压以下,IPM就会关断,同时产生一个故障输出信号。

为了恢复到正常运行状态,电源电压必须超过欠压复位阈值,在电源电压超过欠压复位阈值时,故障信号也消失。

在控制电源上电和掉电期间,欠压保护电路都起作用,这属正常现象。

过热保护:在靠近IGBT的绝缘基板上安装有温度传感器,如果基板的温度超过设定阈值,IPM内部的保护电路关断门极驱动信号,不响应控制输入信号,直到温度降下来。

当温度下降到另一设定阈值以下,IGBT方可恢复工作。

过流保护:由内置的电流传感器检测各桥臂电流,若通过IGBT的电流超过一定阈值,且持续时间大于一定延迟时间,IGBT就会被软关断。

假如延迟时间的典型值为10Λs,那么小于10Λs的噪声引起的过流不会引起保护作用的发生。

当过流保护其作用时,IPM输出故障信号。

短路保护:如果负载发生短路或系统控制器发生故障,使IGBT的上、下桥臂同时导通,短路保护电路将其关断,同时输出一固定宽度故障信号。

对于宽度小于一定宽度的短路电流(例如2Λs以下)不响应[3]。

正是因为具有这些保护功能,既使内部的IGBT 承受过大的电流电压应力,IPM模块也不会损坏。

目前,第三代IPM采用高速型IGBT,输出时转换效率可达96%以上,与早期的IGBT相比,其饱和电压和开关特性都有很大改善,开关损耗甚至减少了30%。

图2所示为开关损耗比较图[4]。

IPM的损耗比IGBT模块小,因为它采用了专用芯片对门极进行驱动、控制、保护,不需要考虑短路及开关浪涌电压带来的问题,实现了真正的高性能化。

IPM的基本性能主要指功率开关器件IGBT的各种静态和动态参数,包括输出特性、转移特性、饱和压降特性、安全工作区和开关特性等。

其各种特性都类似于或优于IGBT模块的特性。

IPM的投入应用比IGBT约晚2年,由于IPM 包含了IGBT芯片及外围的驱动和保护电路,甚至还有的把光耦也集成于一体,因此是一种更为好用的集成型功率器件,目前,在模块额定电流10～600A
范
图2　开关损耗比较图
围内,通用变频器均有采用IPM的趋向,其优点是:开关速度快,驱动电流小,控制驱动更为简单。

内含电流传感器,可以高效迅速地检测出过电流和短路电流,能对功率芯片给予足够的保护,故障率大大降低。

由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化,所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。

保护功能较为丰富,如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全,随着技术的进步,保护功能将进一步日臻完善。

另外,IPM的售价已逐渐接近IGBT。

而采用IPM后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后,在许多场合其性价比已高过IGBT,有很好的经济性。

为了提高系统的可靠性,有些制造商甚至开发了专用智能功率模块(ASIPM),它把1台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装在一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。

它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。

其目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。

例如三菱公司最近开发的专用智能模块ASIPM 不需要外接光耦,通过内部自举电路可单电源供电,并采用了低电感的封装技术,在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。

3　MIG20J106L的简要介绍
MIG20J10L是东芝公司开发的一种用于低频运行IPM模块,适用于小功率范围(1.5kW以下)应用。

其内部等效电路图和各管脚含义如图3所示。

其中管脚3、6、9、11是控制电源,外接输入典型值为+15V±10%;管脚1、4、7、10是控制芯片的地信号,与控制部分的信号地相接;管脚2、5、8、12、13、14是控制信号,6路PWM信号经光耦隔离后,分别
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图3　MIG20J106L的内部等效电路及管脚
供给这些控制端子,在进一步控制6只功率器件的开通和关断。

15脚F o是故障输出信号,当IPM发生故障时,该端口输出一低电平信号。

端口P和N是变频器主电路的直流侧正负电压输入端,220V交流电经整流滤波后,加在该端上。

管脚17、18、19是与负载相连的三相逆变输出端,可向负载提供变频后的三相交流电。

MIG20J106L型IPM上下桥臂均有过流、短路和欠压保护,仅在下桥臂有过热保护。

而且仅在下桥臂才有故障输出,所以仅在下桥臂发生故障时才有故障输出,当无论上、下桥臂发生故障,其内部保护电路都会锁掉IPM的输入信号,使其不能工作。

当控制电源3、6、9、11的输入电压小于12V且延时大于10Λs 时,IPM启动欠压保护,输入电压大于12.5V时恢复。

基极温度高于110℃且延时大于10Λs时,IPM启动过热保护,温度降至15℃以下时恢复。

若通过IGBT的电流超过一定阈值(过流打开阈值),且持续时间大于7Λs时,IPM启动过流保护,IGBT就会被关断,约13ms后,下一个输入电平有效时恢复。

上、下桥臂同时导通点电流大于设定短路电流且持续时间大于2Λs时,IPM启动短路保护,约13ms后,下一个输入电平有效时恢复。

另外一个值得讨论的问题是IPM的电流采样方式,从图3中可以看出,IPM的电流采样是在功率器件内部作一个小小的发射级,从该发射级引出的电流与流经功率器件的电流成一定的比例关系。

这种采用方式有点类似双极集成电路中的电流源电路,它可能是整个电流的万分之一到百万分之一,并且可以对每个功率管同时采样。

与其它电路的常规采样方式相比,这一种方式的精度更高,速度更快,损耗更小。

4　MIG20J106L的应用
图4是智能功率模块MIG20J106
L结合硬件的
应用。

在这种方案中,没有采用专用集成电路,而是用
分立元件来产生脉宽调制波,该信号可以通过光耦直
接送到IPM中,不需要其他功率驱动器,从而使主电
路的结构更简单,整体可靠性更高。

图4　MIG20J106L结合分立元件在驱动电路中的应用
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由于IPM 能够使功率器件的工作频率大大提高,使硬件实现的脉宽调制电路的速度优势得以充分发挥,进一步提高脉宽调制的频率范围(0.1～400Hz )。

该电路既可用于变频器控制,也可用于电机驱动,例如家用变频空调和电力机车的驱动控制。

图4中控制电路主要由软启动器、绝对值运算器、压控振荡器、三相正弦阶梯波发生器、脉宽调制器以及转向控制部分和保护电路组成。

其中软启动部分可以提供0～10ms 的软启动时间。

绝对值运算器是将输入电压信号转换到压控振荡器所要求的电压范围之内。

压控振荡器为三相正弦阶梯波发生器提供输入脉冲,三相正弦阶梯波发生器由纽环形计数器和权电阻网络组成,可产生相位两两相差120°的三相正弦阶梯波,该正弦波由48级阶梯组成,误差较小,将其进行脉宽调制,即可得到三相脉宽调制波,再经光耦可送到IPM 中驱动6个功率管。

图5是智能功率模块MIG 20J 106L 结合东芝单片机在家用变频空调中的一个应用实例。

单片机为东芝TLCS -871 X 系列高速高性能的8位单片机
TMP 88CK 49 CM 49。

它是一种非常适合空调器压缩机等电机的控制芯片,内部设有无传感器 带传感器
的直流电机控制器,交流电机变频控制器以及10位
A D 变换器、
高速PWM 、串行接口等。

其最小指令时间为0.25Λs (晶振16MHz )。

图中AIN 10～AIN
12
是10位的A D 转换接口,
用于采集室外温度、冷凝器温度和压缩机温度信号。

传感元件使用热敏电阻。

TXD 、RXD 为标准异步接口,用于与室内机通信。

P 0口的U 1、V 1、W 1和U 1
、
图5　MIG 20J 106L 结合单片机在变频器中的应用
V 1、W 1为三相驱动脉冲波形输出,输出信号通过光耦TLP 521(或4N 25)隔离后进入IPM 模块。

TMP 88CK 49 CM 49的内置可编程电机驱动(PMD )功能,使得单片机输出根据等面积法生成的PWM 来控制逆变电路更加容易。

单片机内置的变频
控制也是基于脉宽调制技术通过硬件实现的。

该变频空调器工作频率范围为20～120Hz 。

利用高速、高性能的8位单片机和IPM 智能模块,构成了结构简单的空调器变频控制器,同时通过软件实现了对空调器室外机的综合控制。

空调器室外机控制板具有尺寸小、可靠性高、价格低等特点,有广泛的推广应用价值,很适合于家用电器应用领域。

5　结　语
IPM 除了在工业变频器中被大量采用之外,经
济型的IPM 在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、冰箱变频器、洗衣机变频器中得到应用。

IPM 也在向更高的水平发展,日本三菱电机最近开发的专用智能模块ASIPM 将不需要外接光耦[5],通过内部自举电路可单电源供电并采用了低电感的封装技术,在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又推进了一步。

现在,有些公司已经把IPM 和整流模块封装在同一模块内,使系统电路设计更简单,体积更小。

因此,IPM 在功率驱动领域将有极为广阔的发展前景。

参考文献:
[1]　李爱文,张承慧.现代逆变技术及其应用[M ].科学出版
社,2000.
[2]　胡崇岳.现代交流调速技术[M ].机械工业出版社,
2000.
[3]　谌清平.东芝单片机原理及其在家用电器中的应用
[M ].北京航空航天大学出版社,2000.
[4]　谭建成.电机控制专用集成电路[M ].机械工业出版社,
1997.
[5]　张燕宾.SPWM 变频调速应用技术[M ].机械工业出版
社,1997.
作者简介:于福振(1976—),男,硕士研究生,研究方向为
VLSI 设计及智能功率驱动系统集成。

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