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1、智能功率模块IPM小组成员：李海燕朱莉莉夏漪婷金中亚顾静静黄银萍本段介绍了智能功率模块IPM的特点和特性,分析了IPM在应用设计过程中应考虑的诸多问题及解决方法。把MOS管技术引入功率半导体器件的思想开创了革命性的器件:绝缘栅双极晶体管IGBT。随着IGBT在工作频率为20KHZ的硬开关及更高的软开关中的应用,它已经代替了MOSFET和GTR,成为最主要的电力电子器件。IGBT的发展使集外围电路内置于一块功率模块的智能功率IPM脱颖而出。IPM内含栅极驱动、短路保护、过流保护、过热保护和欠压锁定等功能
2、,已被广泛用于无噪声逆变器,低噪声UPS系统和伺服控制器等设备上。IPM使产品的体积减小,缩短了开发时间,简化了开发步骤。一、IPM的原理1、IPM的特点1.1、IPM的构成智能功率模块IPM(IntelligentPowrModule)不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低工耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当,也可以IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGB
3、T作为功率开关元件,并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。1.2、IPM的优点(1)开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型,而且驱动电路紧靠IGBT芯片,驱动延时小,所以IPM开关速度快,损耗小。(2)低功耗。IPM内部的IGBT导通压降低,开关速度快,故IPM功耗小。(3)快速的过流保护。IPM实时检测IGBT电流,当发生严重过载或直接短路时,IGBT将被软关断,同时送出一个故障信号。(4)过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器,当基板过热时,IPM内部控制电路将截止栅级驱
4、动,不响应输入控制信号。(5)桥臂对管互锁。在串联的桥臂上,上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。(6)抗干扰能力强。优化的门级驱动与IGBT集成,布局合理,无外部驱动线。(7)驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源(一般为15V)就会造成驱动能力不够,增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源,当低于一定值超过10μs时,将截止驱动信号。(8)IPM内藏相关的外围电路。缩短开发了时间。(9)无须采取防静电措施。(10)大大减少了元件数目。体积相应小。2、IPM参数和特性3、控制电路电源3.1、IP
5、M控制功率消耗控制电路电流ID与开关频率FC有关;600VIPM控制电流(mA)3.2、布线指南六个或七个IGBT单元的IPM四组隔离的供电电源,两单元或一单元的则在三相大功率中需要六组隔离电源,以避免噪声。IPM的控制电源端子应接一个至少10μF的退耦电容,该电容帮助过滤共模噪声并提供IPM栅极电路所须电流。4、接口电路4.1、接口电路的要求低电平开通，高电平截止。4.2、布线指南接口电路设计主要考虑的是dv/dt噪声耦合问题。不应把PCB板上走线布的太过靠近,否则开关使电位发生变化。必须屏蔽！推荐
6、光耦:tPLH,tPHL<0.8μs;CMR>10kV/μs。通常型号:HCPL4503,HCPL4504,PS2041(NEC),在光耦合端接一个0.1μF的退耦电容。控制端上拉电阻应尽可能小以避免高阻抗IPM拾取噪声,但又要足够可靠地控制IPM。低速光耦可用于故障输出端和制动输入端。4.3、接口电路的连接把接口直接做在PCB板上可靠近模块输入脚以减少噪声，如图1所示。4.4、FO输出信号的使用当TFO=1.8ms(典型值)有效时,IPM会关断开关并使输入无效。在FO结束后,自动复位,同时使输入有效
7、。在FO输出时系统必须在1.8ms内使PWM信号无效,等故障排除后方可重新有效。必须避免重复故障而导致结温升高损坏IPM。系统可通过检测tFO时间长度来确定是过流还是短路引起(1.8ms),过热时间会长一些。过热复位一般要等基板冷却到OTR以下需要几十秒钟。5、结语由于IPM均采用具有标准化的逻辑电平的栅控接口,使IPM很方便与控制电路板相连接。IPM在故障情况下的自保护能力,降低了器件在开发和使用中损坏的机会,大大提高了整机的可靠性,被广泛地应用于工业,军事等电力电子系统。二、IPM的应用1、IPM
8、模块在变频器中的应用随着电力电子技术、计算机技术和超大规模集成电路技术的快速发展，变频调速系统趋向数字化和高集成度方向发展。变频器的功率器件也经历了从SCR,GTO到IGBT的发展历程，控制方式也从最初的v/f控制，发展到矢量控制，直接转矩控制。变频家电等控制系统中，功率驱动器件是必不可少的，智能功率模（IPM）就是一个典型的高度集成的功率驱动器件，然而，电力变换技术的进步和电力变换器的广泛应用也带来了很多弊端，其产生的公害－电磁干扰以及谐波污染已成为世
