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1、第27卷第5期电力自动化设备Vol.27No.52007年5月ElectricPowerAutomationEquipmentMay2007IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用袁涛,郑建勇,曾伟,康静(东南大学电气工程系,江苏南京210096)摘要:智能功率模块IPM(IntelligentPowerModule)功能完善,可靠性高,具有集成度高、体积小的特点。在有源电力滤波器装置中使用IPM可以简化装置的主电路,提高系统整体可靠性。IPM电路设计主要包括驱动电路部分、缓冲吸收电路部分以及保护电路部分。IPM驱动方案由驱动电源和光耦接口电路组成,
2、根据模块的设计要求,给出了一种典型的高可靠性的IPM外部驱动方案。由于关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压的存在,IPM上会产生过电压,必须设计相应的缓冲吸收电路,来减少开关损耗,充分利用功率器件的功率极限。通过分析3种常见的缓冲电路,给出了相应的适用范围。IPM保护电路由模块内部的保护电路和外围辅助保护电路组成,外围保护电路的设计基于对IPM故障信号的处理。通过使用IPM构建有源滤波器的逆变电路,分析了其在有源滤波器装置中的应用。关键词:智能功率模块;电路设计;有源滤波器中图分类号:TN713文献标识码:B文章编号:1006-6047(2007)05-0088
3、-03由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)单元构成的智能电路可以提供4种保护功能:过流保护OC、短路保护功率模块IPM(IntelligentPowerModule)具有集成[4]SC、欠压保护UV和过热保护OH。如果IPM模块度高、体积小的特点,其内部不仅封装了门极驱动控中有一种保护电路动作,IGBT栅极驱动单元就会关制电路,而且还有故障检测电路和各种保护电路,能断门极电流并输出一个故障信号Fo。实现过热保护、过流保护、短路保护及控制电源欠压保护等功能[1-2]。研究了IPM的电路设计,并分析了2IPM电路设计IPM在有源电力滤波器(APF)装置中的应用。IPM电
4、路设计主要包括驱动电路部分、缓冲吸收电路部分以及保护电路部分。1IPM智能功率模块特点2.1驱动电路部分IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接驱动及保护电路构成,因此具有开关速度快、功耗低口,良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性的特点。IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件简和安全性都有重要意义。以PM75RSE120为例,这单、可靠,缩短了系统开发时间,也提高了故障下的是一种R型的IPM,内部封装了7个IGBT,工作在自保护能力[3]。模块中每个IGBT的驱动电路设计了1200V/75A条件以下,功率器件的开
5、关频率最大为最佳驱动条件。与普通IGBT模块相比,IPM在系统20kHz。由于IPM内置了驱动电路,和IGBT驱动电性能及可靠性方面都有进一步的提高。路设计相比,外围驱动电路的设计比较方便,重点在IPM内部功能框图如图1所示,IPM内建的保护于驱动电源和光耦接口电路的设计。+IPM对驱动电路的输出电压要求严格,具体如下:驱动输入驱动电路a.驱动电压的范围为(1±10%)×15V,电压低OC-于13.5V将发生欠压保护,电压高于16.5V将可能SC损坏内部部件;OH温度传感器b.驱动电压相互隔离,以避免地线噪声干扰;UV电源c.驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向
6、耐压Fo≥1故障输出值的2倍;d.驱动电流可以参考器件给出的20kHz驱动图1IPM的内部功能框图电流要求,根据实际的开关频率加以修正;Fig.1BlockdiagramofIPMinternalfunctionse.驱动电流输出端滤波电容不能太大,因为当收稿日期:2006-05-11;修回日期:2006-08-18寄生电容超过100pF时,噪声干扰将可能误触发内第5期袁涛,等:IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用部驱动电路。UCES,而导致其损坏。因此,为保护IGBT必须采用缓IPM接口电路须采用光耦,光耦输出脚和IPM引冲吸收电路,缓冲吸收电
7、路可以用来控制IGBT等功脚之间的走线应尽量短,要采用具有高共模抑制比率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电[5]压,减少开关损耗,充分利用功率器件的功率极限[7]的高速光耦。由于初、次级间常加有大的du/dt,。所以初、次级布线不要太靠近以减少耦合电容。图4中为3种常用的缓冲吸收电路。图4(a)电高速光耦的规格要求为路用二极管钳住瞬变电压,抑制谐振,RC时间常数KCMH=KCML>15kV/μs或10kV/μs应为开关周期的1/3。图4(b)电路采用P型RCD和NtPHL=tPLH<0.8ms,λCTR>15%型RCD构成的缓冲电路,其回路电感最小,适用于
8、其中,KCMH为光耦输出
