单相逆变器智能功率模块应用电路设计

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1、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(IntelligentPowerModule，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。2IPM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

2、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。3IPM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

3、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

4、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

5、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。4IPM的保护电路设计由

6、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

7、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

8、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IP