IPM驅(qū)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(qū)動和保護電路的設(shè)計方法，并給出了一個驅(qū)動和保護電路的設(shè)計實例。

    關(guān)鍵詞：IGBT（絕緣柵雙極性晶體管） IPM（智能功率模塊） PIC（功率集成電路）

智能功率模塊（ＩＰＭ）是Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ的縮寫，是一種先進的功率開關(guān)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(yōu)點，以及ＭＯＳＦＥＴ（場效應(yīng)晶體管）高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點。而且ＩＰＭ內(nèi)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(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也大大增強了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路（ＰＩＣ），在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)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(qū)動和保護電路的設(shè)計。

１ ＩＰＭ的基本工作特性

１．１ ＩＰＭ的結(jié)構(gòu)

ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優(yōu)選的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復(fù)合，由ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優(yōu)點。

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

１．２ ＩＰＭ內(nèi)部功能機制

ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內(nèi)置驅(qū)動和保護電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計。

ＩＰＭ內(nèi)置的驅(qū)動和保護電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)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(tǒng)性能及可靠性方面都有進一步的提高。

    保護電路可以實現(xiàn)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(qū)動單元就會關(guān)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(fā)生欠壓保護，封鎖門極驅(qū)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(dāng)ＩＰＭ溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發(fā)生過溫保護，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。

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