智能功率模块IGBT_IPM及其应用_黄挚雄
第24卷第2期2002年4月电气传动自动化
Electric Drive Auto mation
Vo l. 24, No. 2A p r. , 2002
文章编号:1005 7277(2002) 02 0019 03
智能功率模块IGBT-IPM 及其应用
黄挚雄, 李志勇, 危韧勇
(中南大学, 湖南
长沙410075)
摘要:介绍了一种新型的大功率电力电子器伯IGBT-IPM 智能功率模块。给出了模块的内部电路结构及功能特点, 逐一讨论了IPM 的内置电气功能, 提出了完整的应用电路实例, 对使用中应注意的问题进行了较详细的说明。
关键词:电子电力器件; 功率模块; 智能; 驱动电路; 保护中图分类号:TN389
文献标识码:B
Intelli g ent p ower module IGBT-IPM and its a pp lication
HAU ANG Z hi_xiong, LI Z hi_yong , W EI Ren_yong
(Central South U niversit y , Chan g sha 410075, China )
Abstract:A new t yp e of electronic com p onent with bi g p ower, intelli g ent p ower module IGBTIPM, is introduced. The inner stucture of circuit, functions and features of module are also mentioned here. All the electrical functions inside the IPM are discussed one by one. The entire circuits in application are given as the virtual examples, and the precautions in use are detailed.
Key words:power electronic component; power module; intelligence; driving circuit; protection
1引言
在大功率电力电子器件应用中, IGBT 已取代GTR 或MOSFET 成为主流。IGBT 的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好、耐高压且承受大电流、驱动电路简单。目前, 由IGBT 单元构成的功率模块在智能化方面得到了迅速发展, 智能功率模块(IPM) 不仅包括基本组合单元和驱动电路, 还具有保护和报警功能。I PM 以其完善的功能和高可靠性创造了很好的应用条件, 利用IPM 的控制功能, 与微处理器相结合, 可方便地构成智能功率控制系统。IGB T-IPM 模块适用变频器、直流调速系统、DC-DC 变换器以及有源电力滤波器等, 其中富士R 系列I GBT-IPM 是应用较广泛的产品之一。
线方便; 主端子用M5螺钉, 可实现电流传输。
IPM 的结构框图如图1所示, 其基本结构为IGBT 单元组成的三相桥臂; 内含续流二极管、制动用IGBT 和制动用续流二极管; 内置驱动电路、保护电路和报警输出电路。IPM 共有6个主回路端(P, N, B, U, V, W) 、16个控制端, 其中VccU 、VccV 、VccW 分别为U 、V 、W 相上桥臂控制电源输入的+端, GNDU 、GNDV 、GNDW 分别为对应的-端; VinU 、VinV 、VinW 分别为上桥臂U 、V 、W 相控制信号输入端, Vcc 、GND 为下桥臂公用控制电源输入; VinX 、VinY 、VinZ 分别为下桥臂X 、Y 、Z 相控制信号输入端; VinDB 为制动单元控制信号输入端; ALM 为保护电路动作时的报警信号输出端。
R 系列IGBT-IPM 产品包括:中容量600V 系列50A~150A 、1200V 系列25A~75A; 大容量600V 系列200A~300A 、1200V 系列100A~150A 。共计20多个品种。
2IGBT IPM 的结构
I PM 模块有6单元或7单元结构, 用陶瓷基板作绝缘构造, 基板可直接安装在散热器上, 控制输入端为2. 54mm 标准单排封装, 可用一个通用连接器直接与印刷电路板相连。主电源输入(P, N) 、制动输出(B) 及输出端(U, V, W ) 分别就近配置, 主配
3功能特点
3. 1IGBT 驱动功能
全部IGBT 的驱动功能为内置。采用软开关控
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第24卷第2期
集电极电流进行检测, 无论哪个IGBT 发生异常都可保护, 由于电流检测内置, 故无需另加检测元件。3. 4控制电源欠电压保护
当控制电源电压Vcc 下降到容许的下限值时, 如果输入信号为ON, 则IGBT 软关断, 输出报警。欠压保护采用滞环控制方式, 即当Vcc 恢复至上限值时, 如输入信号为OFF, 则解除报警。
3. 5管壳及管芯温度过热保护
采用与IGBT 、续流二极管管芯装在同一陶瓷基板上的测温元件检测基板温度, 同时采用与IGBT 管芯在一起的测温元件检测IGBT 管芯温度。当检出温度超越保护温度值并持续1m s 后, 过热保护动作, IGBT 被软关断, 在2ms 的闭锁期间停止工作。3. 6报警输出功能
在下桥臂侧各种保护动作闭锁期间, 输出报警信号, 如控制输入为ON 状态, 即使闭锁期已结束, 报警输出功能也不复位, 等到控制输入变为OFF
时, 报警复位, 保护动作解除。
3. 7制动用IGBT 及续流二极管
在制动单元中使用的I GBT 及续流二极管为内置, 外接耗能电阻即可构成制动回路, 消耗减速时的回馈能量, 抑制直流侧电压的升高。
图1IPM 结构框图
制, 分别使用单独门极电阻, 根据驱动元件的特性, 可独立地控制各自的开关d v /d t 。单电源驱动无需反偏电源, 共需4组独立驱动电源, 上桥臂侧3组独立, 下桥臂侧1组公用。由于设计为低阻抗接地方式, 可防止因噪声而产生的误导通。3. 2过电流保护功能
通过检测IGBT 集电极电流进行过电流保护, 如集电极电流超过容许值6~8 s, 则软关断IG -BT, 由于有6~8 s 的保护动作延时, 瞬间过电流及噪声不会导致误动作。同时还具有防止误动作闭锁功能, 在保护动作闭锁期间, 即使有控制信号输入, IGBT 也不工作。3. 3短路保护功能
过电流保护动作时, 短路保护将联动, 能抑制因负载短路及桥臂短路的峰值电流。
短路保护及过电流保护实际上均是对IGBT 的
4IGBT-IPM 的应用
IGBT-IPM 既可以用于单相电路也可用于三相电路, 用户只需在主接线端接上电源及负载, 并向模块提供控制电源及驱动信号, 配线即告完成, 电路即可工作。为了提高模块的整体应用性能, 且便于连接微处理器, 驱动信号一般由光耦外围电路产生。
4. 1外围驱动电路
外围驱动电路主要是使控制输入信号通过光电耦合器传送, 设计时可选择HC PL 4505、HC -PL 4506、TLP 759、TLP559等型号的光电耦合器, 并使光耦与IPM 控制端子间的布线最短, 布线阻抗最小。
以上推荐型号的光电耦合器均为发光二极管
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驱动方式, d v /d t 的耐量小, 故采用光耦阴极接限流电阻的驱动电路形式, 完整的外围驱动电路如图2所示。
为基础, 通过PW M 信号控制IGBT 的导通, 输出电流对畸变波形实时跟踪补偿, 从而使电源侧的电流波形与电压波形一致。图4中, 外围驱动单元及联
接与图3相同, 主接线端P 、N 接有源电力滤波器直流侧大电容C, U 、V 、W 为有源电力滤波器的交流侧输出端, 通过电感L 与电网相并联, 起补偿谐波电流的作用。
图2外围驱动电路
4. 2典型应用
如图3所示为IGB T-IPM 应用于电机变频调速时的电路原理图, 其结构为交 直 交电压型变频器, 通过PWM 信号控制IGBT 的导通, 得到频率可变的交流输出, 则可实现交流电机的无级调速。图3中, 外围驱动单元共7组, 上桥臂用3组, 下桥臂用3组, 制动用1组; 控制电源共4组, 上桥臂用3组, 下桥臂与制动单元公用1组。P 、N 为主电源输入端(整流输入) , U 、V 、W 接三相异步电机, P 、B 端接制动耗能电阻。
图4应用电路2(有源电力滤波器)
5应用中的注意事项
(1) 主电源电压范围:600V 系列400V 以下,
1200V 系列800V 以下, 主电源过压保护的动作电压分别按450V 、900V 整定。由于开关时的d i /d t 在IPM 内部布线的电感上会产生浪涌电压, 为将浪涌电压抑制在最大值(600V 系列500V, 1200V 系列1000V) 以内, 可在最靠近P 、N 端子处安装浪涌吸收器。
(2) 控制电源Vcc 电压范围:15V 10%, 制
作控制电源时, 应尽量降低纹波电压, 还要使电源的
图3应用电路1(变频调速)
附加噪声降到最小。可在控制电源输出端接10 F 及0. 1 F 的滤波电容, 保持电源平稳, 修正线路阻抗。
(3) 虽然IPM 内部已对外部噪声采取了相应的措施, 但由于噪声的种类及强度不同, 也不可能完全避免发生误动作或损坏IGBT, 因此, 对加于IPM 的噪声, 应采取足够的防范措施, 如对AC 进线加噪声滤波器, 加装绝缘接地;
在每相
(下转第25页)
如图4所示为IGB T-IPM 应用于有源电力滤波器的电路原理图。众所周知, 由于接入电力系统的非线性负载日益增多, 致使电力系统的电流波形发生畸变, 重影响电网供电质量及电气设备的正常安全运行。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置, 它以实时检测
2002年4月成燕, 梁中华, 孙勇军等一种变频式软启动器的探讨 25
本系统软件由主程序、波形发生程序、故障中断管理程序及键盘扫描程序、显示输出等几个程序构成。主程序流程如图8所示。
线电压波形
线电流波形
(a) f =10Hz 时, 线电压、线电流波形
5实验结果
根据上述软硬件设计方案, 设计并制作了一个软启动器, 被控对象为30kW 的感应电机, 其额定转速为1400r/min , 其负载电流波形如图9所示。
实验结果表明, 本装置运行良好, 在达到额定频率时能自动切换且切
图8
主程序流程图
线电压波形
线电流波形
(b) f =45Hz 时, 线电压、线电流波形
图9负载电流波形
序自动跟踪的功能, 从而其零电流关断电路大大地
简化了装置。实验证明, 本装置具有结构简单、成本低以及静动态特性好等特点。
参考文献:
[1]何立民. 单片机应用系统设计[M]. 北京:航空航天大学出版社, 2001.
[2]李序葆, 赵永健. 电力电子器件及其应用[M]. 北京:机械工业出版社, 1998.
[3]陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 上海:上海工业大学, 1991.
收稿日期:2001-08-29
换扰动小。
6结束语
本文介绍了采用单片机与可控硅制作的一种
新型软启动器, 变频式限流启动使启动器的启动电
流具有谐波小、启动转矩大等优点, 并且还具有相的输入信号与地(GND) 间加1000pF 的吸收电容; 对于一个整流变换器上接多个逆变器的场合, 应在P 、N 主端子间加浪涌吸收器。
(4) 过流保护及短路保护功能是以检测到的IGBT 集电极电流而动作的, 但并不检测续流二极管的阳极电流, 因而对续流二极管的异常电流无法保护。
除IPM 的内置保护功能外, 为了使器件可靠工作、防止损坏, 还应在主电路的交、直流侧增加阻容保护和快速熔断器保护。
(5) 由于IGBT 的关断时间t off 的最大值为3. 6 s, 故在输入控制信号时, 应设置4 s 的开关死区, 防止在通断切换过程中同一桥臂的IGBT 同时导通。
(6) IPM 的内置保护功能仅针对非重复性异常现象的保护, 使用时不能长时间超过额定值。当有报警信号输出时, 应马上停止输入信号, 关闭机器。由于IPM 的保护动作能自动复位, 应在排除故障后再启动。
(7) 上桥臂侧仅有保护动作而无报警输出, 当
(上接第21页)
下桥臂侧出现异常时才有报警输出。实际上大多数异常情况, 如过载、短路等最终都将通过下桥臂侧的故障反映出来。
(8) 在内置制动单元的IPM 中, 当不使用制动时, 应将DB 输入端子接20K 的上拉电阻连于Vcc, 否则, d v /d t 可能引起误动作。而对于6封装(无制动单元) 类型, 应将B 端子接到N 或P 电位上, 避免在悬空状态下使用。
(9) 电源上电时应先接通控制电源Vcc, 然后再加主电源。如果先上主电源, 则可能在保护功能还未起作用时, IPM 已损坏。
(10) 由于IPM 大多工作在PWM 信号控制的高频开关状态, 且电流较大, 温度上升较快, 即使有过热保护功能, 但急剧的温度上升对IGBT 的安全不利。因此, 散热器的设计务必有充足的裕量保证管芯结温在额定值以内, 散热器的平整度0~+100 m, 粗糙度10 m 以下, I GBT 工作时应配有风扇降温。
收稿日期:2001-12-17