IPM驅動和保護電路的研究

IPM驅動和保護電路的研究

摘要：介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅動和保護電路的設計方法，并給出了一個驅動和保護電路的設計實例。

智能功率模塊（ＩＰＭ）是Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ的縮寫，是一種先進的功率開關器件，具有ＧＴＲ(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優點，以及ＭＯＳＦＥＴ（場效應晶體管）高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優點。而且ＩＰＭ內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來方便，不僅減小了系統的體積以及開發時間，也大大增強了系統的可靠性，適應了當今功率器件的發展方向——模塊化、復合化和功率集成電路（ＰＩＣ），在電力電子領域得到了越來越廣泛的應用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例，介紹ＩＰＭ的基本特性，然后著重介紹ＩＰＭ的驅動和保護電路的設計。

１ ＩＰＭ的基本工作特性

１．１ ＩＰＭ的結構

ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優選的門級驅動及保護電路構成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復合，由ＭＯＳＦＥＴ驅動ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優點。

ＩＰＭ根據內部功率電路配置的不同可分為四類：Ｈ型（內部封裝一個ＩＧＢＴ）、Ｄ型（內部封裝兩個ＩＧＢＴ）、Ｃ型（內部封裝六個ＩＧＢＴ）和Ｒ型（內部封裝七個ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多層環氧絕緣系統，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷絕緣。

１．２ ＩＰＭ內部功能機制

ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內置驅動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設計。

ＩＰＭ內置的驅動和保護電路使系統硬件電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的ＩＧＢＴ模塊相比，ＩＰＭ在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。

保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果ＩＰＭ模塊中有一種保護電路動作，ＩＧＢＴ柵極驅動單元就會關斷門極電流并輸出一個故障信號（ＦＯ）。各種保護功能具體如下：

（１）控制電壓欠壓保護（ＵＶ）：ＩＰＭ使用單一的＋１５Ｖ供電，若供電電壓低于１２．５Ｖ,且時間超過ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，發生欠壓保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。

（２）過溫保護（ＯＴ）：在靠近ＩＧＢＴ芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當ＩＰＭ溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發生過溫保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。

（３）過流保護(ＯＣ)：若流過ＩＧＢＴ的電流值超過過流動作電流，且時間超過ｔｏｆｆ，則發生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。為避免發生過大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關斷模式，過流保護和短路保護操作可參見圖３。其中，ＶＧ為內部門極驅動電壓，ＩＳＣ為短路電流值，ＩＯＣ為過流電流值，ＩＣ為集電極電流，ＩＦＯ為故障輸出電流。

（４）短路保護(ＳＣ)：若負載發生短路或控制系統故障導致短路，流過ＩＧＢＴ的電流值超過短路動作電流，則立刻發生短路保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發生過大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的響應時間，ＩＰＭ內部使用實時電流控制電路（ＲＴＣ）,使響應時間小于１００ｎｓ，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。

當ＩＰＭ發生ＵＶ、ＯＣ、ＯＴ、ＳＣ中任一故障時，其故障輸出信號持續時間ｔＦＯ為１．８ｍｓ（ＳＣ持續時間會長一些），此時間內ＩＰＭ會封鎖門極驅動，關斷ＩＰＭ；故障輸出信號持續時間結束后，ＩＰＭ內部自動復位，門極驅動通道開放。

可以看出，器件自身產生的故障信號是非保持性的，如果ｔＦＯ結束后故障源仍舊沒有排除，ＩＰＭ就會重復自動保護的過程，反復動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動作，因此僅靠ＩＰＭ內部保護電路還不能完全實現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。

２ ＩＰＭ驅動電路的設計

驅動電路是ＩＰＭ主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。

２．１ ＩＧＢＴ的分立驅動電路的設計

ＩＧＢＴ的驅動設計問題亦即ＭＯＳＦＥＴ的驅動設計問題,設計時應注意以下幾點：①ＩＧＢＴ柵極耐壓一般在±２０Ｖ左右，因此驅動電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極并聯穩壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Ｃｉｎ，從而影響開關速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根據需要取舍。圖４為ＩＧＢＴ柵極保護原理圖，其中，ＲＧ、ＤＺ、Ｃｉｎ分別為等效柵極阻抗、穩壓管和等效輸入電容。②盡管ＩＧＢＴ所需驅動功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在輸

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