智能功率控制模块：电力电子技术在汽车中的应用

时间：2023-10-07 理论教育 版权反馈

【摘要】：智能模块器件就是在这种趋势下发展起来的新型电力电子器件。IPM驱动电路设计现以PM100DSA120为例进行介绍。

近年来，电力电子技术正朝大容量、模块化、智能化及廉价化的方向迅速发展，以提高装置的功率密度，降低噪声，减小能耗和原材料的消耗，提高装置的性能，并简化电路设计和提高系统的可靠性。智能模块器件（简称IPM）就是在这种趋势下发展起来的新型电力电子器件。

1.智能功率模块IPM简介

所谓智能功率模块就是把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路、保护电路和检测电路组装在一起，主要完成信号放大，功率放大，和各种保护（包括过电流保护，短路保护，过热保护，欠电压保护）等功能。

IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图3-32所示。其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IGBT具有两者的优点。

IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类：H型（内部封装1个IGBT）、D型（内部封装2个IGBT）、C型（内部封装6个IGBT）和R型（内部封装7个IGBT）。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。

这里以三菱公司的PM100DSA120为例，其内部结构框图如图3-33所示：它集功率器件，驱动电路，检测与保护电路于一体。它可以大大提高系统快速性和可靠性，简化系统设计和缩小装置体积。由于采用了能连续检测功率器件电流的具有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现了高效的过电流保护和短路保护。由于IPM集成了过热和欠电压保护功能，系统的可靠性提高。

图3-32 IPM的功能框图

图3-33 IPM的内部框图

IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比，IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。

2.IPM的保护功能

保护电路可以实现控制电压欠电压保护、过热保护、过电流保护和短路保护。如果IPM模块内有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号FO。各种保护功能具体如下：

（1）过热保护（OT）在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

（2）控制电压欠电压保护（UV）IPM使用+15V供电，若供电电压低于设定电压，且时间超过t_off时，发生欠电压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。

（3）过电流保护（OC）若流过IGBT的电流值超过过电流动作电流，且时间超过t_off（10ms）时，则发生过电流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式，工作波形如图3-34所示。

图3-34 IPM短路及过电流保护操作

（4）短路保护（SC）若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过电流保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式。为缩短过电流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路（RTC），使响应时间小100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果，工作波形如图3-34所示。(www.daowen.com)

当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间t_FO为1.8ms（SC持续时间会长一些），此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM；故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。

3.IPM驱动

驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。

IPM对驱动电路输出电压的要求很严格，驱动电压范围为15（1±10%）V，并且要相互隔离，以避免地线噪声干扰。

（1）IGBT的分立驱动电路的设计

IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题，设计时应注意以下几点：①IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容C_in，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。图3-35为IGBT栅极保护原理图，其中，R_G、VS、C_in分别为等效栅极阻抗、稳压管和等效输入电容。②尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大，这一点设计者往往忽略。假定开通驱动时，在上升时间t_r内线性地对MOSFET输入电容C_in充电，则驱动电流为I_gt=C_inU_gs/t_r，其中可取t_r=2.2RC_in，R为输入回路电阻。③为可靠关闭IGBT，防止擎住现象，要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。

图3-35 IGBT栅极过压保护原理图

（2）IGBT集成式驱动电路

IGBT的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。

（3）IPM驱动电路设计

现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20kHz。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。但是IPM对驱动电路输出电压的要求很严格，具体为：①驱动电压范围为15（1±10%）V若电压低于13.5V将发生欠电压保护，电压高于16.5V将可能损坏内部部件。②驱动电压相互隔离，以避免地线噪声干扰。③驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的两倍（2U_ces）。④驱动电流可以参阅器件给出的20kHz驱动电流要求，根据实际的开关频率加以修正。⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大，这是因为当寄生电容超过100pF时，噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。

这里介绍一种可获得高质量15V电源的方案。该方案驱动电路不仅结构紧凑、简单，而且抗干扰能力强，典型电路如图3-36所示。其中，M57140-01和M57120L是三菱公司为其IPM系列产品专门配置的电压变换模块。在M57120L的输入端加一路113～400V的直流电压，可以在输出端得到一路20V的直流电压，在M57140-01的输入端加一路18～22V的直流电压，输出端可以得到4路相互隔离的15V电压，方便地为IPM提供稳定可靠的电源。