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1、第2期微处理机No.22001年5月MICROPROCESSORSMay,2001·大规模集成电路设计、制造与应用·新一代智能功率模块(IPM)基本原理及其控制IC原理分析X李树良张杰尹放东北微电子研究所(沈阳110032)摘要介绍了新一代智能功率模块(IPM)的基本功能、封装结构及电路结构,并且阐述了新一代IPM中控制IC的基本要求和工作原理。关键词智能功率模块(IPM)IGBT控制ICAnalysisofFunctionandControlledICforNewIntelligentPower
2、ModuleLiShuliang,etalNortheastMicroelectronicsInstitute,Shenyang110032AbstractThispaperdescribesthefunction,packagestructureandcircuitprinciple,andanalysistheprincipleofthecontrolledIC.Keywordsintelligentpowermodule(IPM),IGBT,controlledIC成;控制部分为高度集成的单
3、片或多片IC,它提供1引言IGBT的驱动功能、短路或过流保护功能、控制电源随着功率变换系统的发展,人们对系统的尺寸、欠压保护功能、模块的过热保护功能。功能水平、工作噪音和马达控制效率提出了新的要求。将功率元件IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)和驱动电路及保护电路集成在一起而成为一个智能化的功率模块IPM(IntelligentPowerModule),具有特别重要的意义。它不但能减少应用系统的体积和工作噪声,提高系统的可靠性及控制效率,还能有效地缩短应用系统的
4、开发时间。目前IPM已广泛应用于变频器系统及数控机械系统等。新一代智能功率模块还要求改进内部的寄生结构,在低正向压降、高开关速度和宽安全工作区方面进行优化设计。2IPM的基本功能IPM主要应具备三个基本功能:接口功能、诊断保护功能和功率控制功能。通过图1可清楚地看图1IPM的电路结构及其在变换器系统中的应用出其基本功能和电路结构。新一代IPM内部控制电路实现了单片化、智能如图1所示,IPM的内部电路在模块化后分为化,如日立公司300系列IPM具有“人的思维”功两大部分:功率部分是由一个高性能的IG
5、BT(绝缘能,它采用了数字信号处理技术(DSP),具有模糊控栅场效应晶体管)和一个FWD(快恢复二极管)组X李树良,男,39岁,工程师,主要从事微电子及电力、电子产品开发收稿日期:2000-12-10©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net·6·微处理机2001年制功能和智能输入输出端子,其最大恒转矩负载可和体积进一步下降,可靠性也有很大的提高。达220
6、kW。富士电机公司最新型R系列IPM还采新一代IPM其控制部分已集成为一个芯片。且用了SOI技术制造的温度检测元件,它可使IGBT控制芯片和主控元件贴装在不同的基板上,以避免功率容量得以最大发挥的同时,有效地保护IGBT发热量较大的主控部分对控制部分的影响,从而进不被烧坏。目前IPM普遍与单片机配合使用,一些一步提高了IPM的可靠性。图2是新一代IPM封单片机生产厂家纷纷推出了带交流电机变频控制功装结构图。能的单片机,非常适合家用空调压缩机等一类低调制频率的IPM使用,使得变频空调的节能效率在30
7、%以上,变频空调已成为众多空调厂家的销售亮点。3IPM的封装形式最初的IPM,其内部用已经封装好的分立元器件在同一基板上进行密集封装,这时的IPM虽已具图2新一代IPM封装结构示意图备了智能模块的基本功能,但其体积还很大,可靠4IPM电路原理性也较差。IPM发展到第2代是将控制部分根据其功能和制造工艺的差异集成为几个芯片,然后再与图3是一单元IPM电路原理图。IGBT和FWD等主控元件组装在一起,因此其成本图3IPM电路原理图IPM内部的电流检测功能是通过IGBT内隔IC,它必须能在过热、过流、过
8、压及欠压等恶劣条件离主发射极单元与主控单元的沟道长度的比值来获下正常工作,并能做出快速响应。例如在短路情况下得。如图3所示,此检测单元与控制IC的SENS端电流变化率diödt很高,当电流超出阈值时,反馈环相连接。路应能很快反应以避免大电流增大到破坏性的程故障保护电路是当发生任何故障时封锁驱动信度。逻辑部分一般用CMOS集成电路来实现,由于号与主控元件IGBT。与IGBT配合使用的FWD具IPM中的温度及电压变化率dvödt很高,其CMOS有快速而软的反向恢复特性,它可以较好地控制
