IGBT-IPM智能模塊的電路設計及在SVG裝置中的應用

IGBT-IPM智能模塊的電路設計及在SVG裝置中的應用

摘要：介紹了IGBT-IPM智能模塊的基本情況和功能特點，并對該智能功率模塊的相關電路設計方法和需要注意的問題進行了深入地分析，最后結合SVG裝置，詳細說明了該模塊的應用，并給出了系統硬件結構圖。

１　引言

電力系統中大功率電力電子裝置的開關元件主要是晶閘管和ＧＴＯ。但是，隨著近年來雙極功率晶體管及功率ＭＯＳＦＥＴ的問世以及生產技術的成熟，這些開關元件憑借自身優越的性能逐漸替代了晶閘管和ＧＴＯ，并朝著節能、輕便、小型化的方向迅速發展。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ?Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）智能模塊正是其中的代表之一，它將ＩＧＢＴ單元、驅動電路、保護電路等結合在一個模塊之中，利用這些優越的特性可極大地提高實際應用系統的穩定性?同時可簡化設計的難度?縮小裝置的體積。

圖1

２　ＩＧＢＴ智能模塊的主要特點

與過去ＩＧＢＴ模塊和驅動電路的組合電路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ內含驅動電路且保護功能齊全，因而可極大地提高應用系統整機的可靠性。本文將要介紹的是富士電機最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特點和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價格低廉等優點以外，還具有以下主要功能：

●內含驅動電路。該模塊同時具有軟開關特性，可控制ＩＧＢＴ開關時的ｄＶ／ｄｔ和浪涌電壓；用單電源驅動時，無需反向偏壓電源；并可防止誤導通。關斷時，ＩＧＢＴ柵極低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而誤導通；模塊中的每個ＩＧＢＴ的驅動電路都設計了最佳的驅動條件。

●內含各種保護電路。每個ＩＧＢＴ都具有過流保護（ＯＣ）、負載短路保護（ＳＣ）、控制電源欠壓保護（ＵＶ）和過熱保護（ＯＨ）等功能。

圖2

●內含報警輸出功能。當出現上述保護動作時，可向控制ＩＰＭ的微機系統輸出報警信號。

●包含有制動電路。內含制動單元的ＩＰＭ模塊，用此單元可以抑制ＰＮ端子間的電壓升高。

圖１為該ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的內部結構圖，圖中的前置驅動部分包括驅動放大、短路保護、過流保護、欠壓閉鎖、管心過熱保護等功能電路。圖中，各個引腳和端子的標號列于表１。

表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標號

端子標號

內 容

P,N經過整流變換平滑濾波后的主電源Vd的輸入端子。P： 端，N：-端B制動輸出端子：再生制動電阻電流的輸出端子。不用時，建議接到P或N上U，V，W模塊的3相輸出端子(1)GND U,(3)Vcc UU相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc U: 端；GNDU：-端(4)GND V,(6)Vcc VV相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc V: 端；GNDV：-端(7)GND W,(9)Vcc WW相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc W： 端；GNDW：-端（10）GND，（11）Vcc下臂公用控制電源Vcc輸入。Vcc： 端；GND：-端（2）U，（5）V，（8）W下臂U，V，W相控制信號輸入（13）X，（14）Y，（15）Z下臂X，Y，Z相控制信號輸入（12）DB，（16）ALMDB為下臂相控制信號輸入，ALM為保護電路動作時的報警信號輸出

３　ＩＧＢＴ智能模塊電路設計

ＩＧＢＴ智能模塊的電路設計主要分為主電源部分、光耦外圍控制部分、緩沖電路部分及散熱部分。下面分別對這四部分的設計方法和需要注意的問題進行說明。

３．１ 主電源電路

富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊有很多不同的系列，每一系列的主電源電壓范圍各有不同，在設計時一定要考慮其應用場合的電壓范圍。６００Ｖ系列主電源電壓和制動動作電壓都應該在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列則要在８００Ｖ以下。開關時的最大浪涌電壓：６００Ｖ系列應在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列應該在１０００Ｖ以下，根據上述各值的范圍，使用時應使浪涌電壓限定在規定的值內，且應在最靠近Ｐ、Ｎ端子處安裝緩沖器（如果一個整流電路上接有多個ＩＧＢＴ模塊，還需要在Ｐ、Ｎ主端子間加浪涌吸收器）。雖然在模塊內部已對外部的電壓噪聲采取了相應的措施，但是由于噪聲的種類和強度不同，加之也不可能完全避免誤動作或損壞等情況，因此需要對交流進線加濾波器，并絕緣接地，同時應在每相的輸入信號與地（ＧＮＤ）間并聯１０００ｐＦ的吸收電容。

３．２ 光耦外圍控制部分

與主電源電路不同，外圍控制電路主要針對的是單片機控制系統的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統連接，因此，必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開來，以保護單片機控制系統。同時，ＩＧＢＴ模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時的控制信號。所以，設計一個優良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關鍵之一。根據ＩＧＢＴ的驅動以及逆變電路的要求?１?，模塊內部的ＩＧＢＴ控制電源必須是上橋臂３組，下橋臂１組，總計４組獨立的１５Ｖ直流電源。圖２是一種推薦的光耦驅動電路。

圖２中給出了幾種典型光耦驅動電路，其中三極管與光耦并聯型電路對光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規格要求：

●ＣＭＨ＝ＣＭＬ＞１５ｋＶ／μｓ或１０ｋＶ／μｓ

●ＴＰＨＬ＝ＴＰＬＨ＜０．８ｍｓ

●ＣＴＲ＞１５％

推薦的光耦有：

ＨＣＰＬ－４５０５，ＨＣＰＬ－４５０６

ＴＬＰ７５９（ＩＧＭ），ＴＬＰ７５５等。

一般情況下，光耦要符合ＵＬ、ＶＤＥ等安全認證。同時最好使光耦和ＩＧＢＴ控制端子間的布線盡量短。由于初級和次級間常加有大的ｄｖ／ｄｔ，因此，初、次級布線不要太靠近以減小其間的耦合電容。在使用１５Ｖ的直

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