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IGBT-IPM智能模塊的電路設(shè)計(jì)及在SVG裝置中的應(yīng)用
摘要：介紹了IGBT-IPM智能模塊的基本情況和功能特點(diǎn)，并對(duì)該智能功率模塊的相關(guān)電路設(shè)計(jì)方法和需要注意的問題進(jìn)行了深入地分析，最后結(jié)合SVG裝置，詳細(xì)說明了該模塊的應(yīng)用，并給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。１ 引言
電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關(guān)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(chǎn)技術(shù)的成熟，這些開關(guān)元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和ＧＴＯ，并朝著節(jié)能、輕便、小型化的方向迅速發(fā)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(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個(gè)模塊之中，利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性?同時(shí)可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的難度?縮小裝置的體積。
圖1
２�。桑牵拢灾悄苣K的主要特點(diǎn)
與過去ＩＧＢＴ模塊和驅(qū)動(dòng)電路的組合電路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路且保護(hù)功能齊全，因而可極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)整機(jī)的可靠性。本文將要介紹的是富士電機(jī)最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特點(diǎn)和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)以外，還具有以下主要功能：
●內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路。該模塊同時(shí)具有軟開關(guān)特性，可控制ＩＧＢＴ開關(guān)時(shí)的ｄＶ／ｄｔ和浪涌電壓；用單電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，無需反向偏壓電源；并可防止誤導(dǎo)通。關(guān)斷時(shí)，ＩＧＢＴ柵極低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而誤導(dǎo)通；模塊中的每個(gè)ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)電路都設(shè)計(jì)了最佳的驅(qū)動(dòng)條件。
●內(nèi)含各種保護(hù)電路。每個(gè)ＩＧＢＴ都具有過流保護(hù)（ＯＣ）、負(fù)載短路保護(hù)（ＳＣ）、控制電源欠壓保護(hù)（ＵＶ）和過熱保護(hù)（ＯＨ）等功能。
圖2
●內(nèi)含報(bào)警輸出功能。當(dāng)出現(xiàn)上述保護(hù)動(dòng)作時(shí)，可向控制ＩＰＭ的微機(jī)系統(tǒng)輸出報(bào)警信號(hào)。
●包含有制動(dòng)電路。內(nèi)含制動(dòng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖中的前置驅(qū)動(dòng)部分包括驅(qū)動(dòng)放大、短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓閉鎖、管心過熱保護(hù)等功能電路。圖中，各個(gè)引腳和端子的標(biāo)號(hào)列于表１。
表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標(biāo)號(hào)
內(nèi) 容
P,N經(jīng)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(dòng)輸出端子：再生制動(dòng)電阻電流的輸出端子。不用時(shí)，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(hào)輸入（13）X，（14）Y，（15）Z下臂X，Y，Z相控制信號(hào)輸入（12）DB，（16）ALMDB為下臂相控制信號(hào)輸入，ALM為保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)的報(bào)警信號(hào)輸出３�。桑牵拢灾悄苣K電路設(shè)計(jì)
ＩＧＢＴ智能模塊的電路設(shè)計(jì)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(duì)這四部分的設(shè)計(jì)方法和需要注意的問題進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮其應(yīng)用場(chǎng)合的電壓范圍。６００Ｖ系列主電源電壓和制動(dòng)動(dòng)作電壓都應(yīng)該在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列則要在８００Ｖ以下。開關(guān)時(shí)的最大浪涌電壓：６００Ｖ系列應(yīng)在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列應(yīng)該在１０００Ｖ以下，根據(jù)上述各值的范圍，使用時(shí)應(yīng)使浪涌電壓限定在規(guī)定的值內(nèi)，且應(yīng)在最靠近Ｐ、Ｎ端子處安裝緩沖器（如果一個(gè)整流電路上接有多個(gè)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(nèi)部已對(duì)外部的電壓噪聲采取了相應(yīng)的措施，但是由于噪聲的種類和強(qiáng)度不同，加之也不可能完全避免誤動(dòng)作或損壞等情況，因此需要對(duì)交流進(jìn)線加濾波器，并絕緣接地，同時(shí)應(yīng)在每相的輸入信號(hào)與地（ＧＮＤ）間并聯(lián)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(duì)的是單片機(jī)控制系統(tǒng)的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)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(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)。同時(shí)，ＩＧＢＴ模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時(shí)的控制信號(hào)。所以，設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關(guān)鍵之一。根據(jù)ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)以及逆變電路的要求?１?，模塊內(nèi)部的ＩＧＢＴ控制電源必須是上橋臂３組，下橋臂１組，總計(jì)４組獨(dú)立的１５Ｖ直流電源。圖２是一種推薦的光耦驅(qū)動(dòng)電路。
圖２中給出了幾種典型光耦驅(qū)動(dòng)電路，其中三極管與光耦并聯(lián)型電路對(duì)光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規(guī)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(rèn)證。同時(shí)最好使光耦和ＩＧＢＴ控制端子間的布線盡量短。由于初級(jí)和次級(jí)間常加有大的ｄｖ／ｄｔ，因此，初、次級(jí)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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