智能功率模塊IPM小組成員：李海燕朱莉莉夏漪婷金中亞顧靜靜黃銀萍本段介紹了智能功率模塊IPM的特點和特性,分析了IPM在應用設計過程中應考慮的諸多問題及解決方法。把MOS管技術引入功率半導體器件的思想開創了革命性的器件:絕緣柵雙極晶體管IGBT。隨著IGBT在工作頻率為20KHZ的硬開關及更高的軟開關中的應用,它已經代替了MOSFET和GTR,成為最主要的電力電子器件。IGBT的發展使集外圍電路內置于一塊功率模塊的智能功率IPM脫穎而出。IPM內含柵極驅動、短路保護、過流保護、過熱保護和欠壓鎖定等功能,已被廣泛用于無噪聲逆變器,低噪聲UPS系統和伺服控制器等設備上。IPM使產品的體積減小,縮短了開發時間,簡化了開發步驟。一、IPM的原理1、IPM的特點1.1、IPM的構成智能功率模塊IPM(IntelligentPowrModule)不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起,而且還內藏有過電壓,過電流和過熱等故障檢測電路,并可將檢測信號送到CPU或DSP作中斷處理。它由高速低工耗的管芯和優化的門級驅動電路以及快速保護電路構成。即使發生負載事故或使用不當,也可以IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關元件,并內藏電流傳感器及驅動電路的集成結構。1.2、IPM的優點

(1)開關速度快。IPM內的IGBT芯片都選用高速型,而且驅動電路緊靠IGBT芯片,驅動延時小,所以IPM開關速度快,損耗小。(2)低功耗。IPM內部的IGBT導通壓降低,開關速度快,故IPM功耗小。(3)快速的過流保護。IPM實時檢測IGBT電流,當發生嚴重過載或直接短路時,IGBT將被軟關斷,同時送出一個故障信號。(4)過熱保護。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當基板過熱時,IPM內部控制電路將截止柵級驅動,不響應輸入控制信號。(5)橋臂對管互鎖。在串聯的橋臂上,上下橋臂的驅動信號互鎖。有效防止上下臂同時導通。(6)抗干擾能力強。優化的門級驅動與IGBT集成,布局合理,無外部驅動線。(7)驅動電源欠壓保護。當低于驅動控制電源(一般為15V)就會造成驅動能力不夠,增加導通損壞。IPM自動檢測驅動電源,當低于一定值超過10μs時,將截止驅動信號。(8)IPM內藏相關的外圍電路。縮短開發了時間。(9)無須采取防靜電措施。(10)大大減少了元件數目。體積相應小。2、IPM參數和特性3、控制電路電源3.1、IPM控制功率消耗控制電路電流ID與開關頻率FC有關;600VIPM控制電流(mA)3.2、布線指南 六個或七個IGBT單元的IPM四組隔離的供電電源,兩單元或一單元的則在三相大功率中需要六組隔離電源,以避免噪聲。IPM的控制電源端子應接一個至少10μF的退耦電容,該電容幫助過濾共模噪聲并提供IPM柵極電路所須電流。4、接口電路4.1、接口電路的要求低電平開通，高電平截止。4.2、布線指南接口電路設計主要考慮的是dv/dt噪聲耦合問題。不應把PCB板上走線布的太過靠近,否則開關使電位發生變化。必須屏蔽！推薦光耦:tPLH,tPHL<0.8μs;CMR>10kV/μs。通常型號:HCPL4503,HCPL4504,PS2041(NEC),在光耦合端接一個0.1μF的退耦電容。控制端上拉電阻應盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲,但又要足夠可靠地控制IPM。低速光耦可用于故障輸出端和制動輸入端。4.3、接口電路的連接把接口直接做在PCB板上可靠近模塊輸入腳以減少噪聲，如圖1所示。4.4、FO輸出信號的使用當TFO=1.8ms(典型值)有效時,IPM會關斷開關并使輸入無效。在FO結束后,自動復位,同時使輸入有效。在FO輸出時系統必須在1.8ms內使PWM信號無效,等故障排除后方可重新有效。必須避免重復故障而導致結溫升高損壞IPM。系統可通過檢測tFO時間長度來確定是過流還是短路引起(1.8ms),過熱時間會長一些。過熱復位一般要等基板冷卻到OTR以下需要幾十秒鐘。5、結語由于IPM均采用具有標準化的邏輯電平的柵控接口,使IPM很方便與控制電路板相連接。IPM在故障情況下的自保護能力,降低了器件在開發和使用中損壞的機會,大大提高了整機的可靠性,被廣泛地應用于工業,軍事等電力電子系統。二、IPM的應用1、IPM模塊在變頻器中的應用隨著電力電子技術、計算機技術和超大規模集成電路技術的快速發展，變頻調速系統趨向數字化和高集成度方向發展。變頻器的功率器件也經歷了從SCR,GTO到IGBT的發展歷程，控制方式也從最初的v/f控制，發展到矢量控制，直接轉矩控制。變頻家電等控制系統中，功率驅動器件是必不可少的，智能功率模（IPM）就是一個典型的高度集成的功率驅動器件，然而，電力變換技術的進步和電力變換器的廣泛應用也帶來了很多弊端，其產生的公害－電磁干擾以及諧波污染已成為世人關注的社會問題。而雙PWM變頻調速技術以其可以實現電機的四象限運行、能量轉換效率高、能量能雙向流動，尤其是能方便地實現電網側輸入功率因數近似為1，消除了諧波污染等特點已成為研究的一個熱點。1）在變頻調速控制器中的應用單電源IPM模塊應用非常廣泛，尤其在中小功率變頻系統中，如工業洗衣機控制用變頻器，紡織機控制用儲緯器，注塑機控制系統中等，家電行業應用也非常廣泛，如變頻空調、洗衣機、冰箱等。下面以IPM模塊在小功率變頻器中的實際使用情況，具體說明單電源ipm在系統中的應用。單電源IPM模塊在系統中應用示意圖如圖4所示。

由于系統中使用了單電源IPM模塊，即只需要給IPM模塊提供一路電源，整個系統可以共一個參考地，這樣可以減少用于電氣隔離用的光耦，包括6路IPM驅動信號，故障檢測信號。另外，電壓、電流檢測也可以方便地通過檢測直流側電壓和n線電流，而不需要電壓互感器和電流互感器，從而大大降低系統的硬件成本。

2）在雙PWM變頻器中的應用

雙PWM變頻器中整流及逆變部分均需要采用六個IGBT開關管進行控制，如果采用單獨的IGBT開關管再加上續流二極管，勢必會使得變頻器的體積增大。而采用IPM智能模塊就可以很方便的節約成本和減少體積。文中所介紹的IPM智能模塊是富士公司型號為6MBP20RH060的IPM智能模塊，它內部具有低功耗、軟開關、高性能及擁有過熱保護的高可靠性IGBT。內置有過電流保護、短路保護、控制電壓欠壓保護、過熱保護及外部輸出警報端口。用這樣的模塊作為雙PWM變頻器的功率器件，大大簡化了硬件電路的設計，縮小了電源體積，簡化了接線，大大縮短了開發周期，更主要的是，它提高了系統的安全性和可靠性。結構原理

基于IPM的雙PWM變頻調速系統框圖 雙PWM變頻調速系統以其優越的性能越來越受關注，但整流部分由原先的整流二極管替換成可控器件勢必增加了成本，然而IPM智能模塊的出現不僅為降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保護性能為設計提供了極大的方便。因此采用IPM智能模塊設計雙PWM變頻調速系統具有電路設計簡單、保護措施完善、體積小等特點，具有很好的發展前景。影響整個系統的性能。2、智能功率模塊在電動汽車中的應用節能和可替代能源的探索已成為當今工業發展的主題．而且這一趨勢還將持續。風能、太陽能和電動汽車近年來得到蓬勃發展，而電力電子器件則成為這些領域的熱點。系統硬件配置以TMS320LF2407為核心的硬件控制系統結構如圖2所示，主要由以下幾部分構成:控制器核心TMS320LF2407，外圍接口電路、功率開關模塊及其驅動，DC-DC變換模塊。電動汽車的種類有很多，包括純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車等。純電動汽車是用電代替內燃機驅動的汽車。其電機工作的能源來自于蓄電池。圖6示出其應用框圖。 高度集成的技術使得IPM能夠顯著簡化整個PWM變頻器的設計。變頻器開發工程師只需設計簡單的絕緣接口和4個或者6個IPM供電電源電路。簡化的外圍電路能夠很好的滿足電動汽車變頻器對于單位體積內功率密度高的要求。當IPM快速關斷時．儲存在雜散電感中的能量耗散在開關器件上。從而在開關器件上會產生浪涌電壓。浪涌電壓的值直接與雜散電感值以及集電極電流關斷變化率相關。因此。功率部分的換流電路設計必須盡可能地降低雜散電感。電動汽車變頻器通常采用疊層母線排可有效降低雜散電感。即使IPM在直流母線電壓很高時發生短路關斷，浪涌過電壓也不會超過模塊的耐壓極限。圖7示出逆變器在發生相間短路時的IPM內部IGBT單元的測試波形。電動汽車通常采用水冷散熱。為提高冷卻能力，水冷的水路應設計在IPM內的IGBT硅片正下方。此外，必須確保這些水路的密封以避免泄露，并選擇合適的位置以消除管道與安裝孔之間的沖突。高效的散熱系統能保證功率循環壽命和熱循環壽命。3、IPM在雷達伺服系統中的應用智能功率模塊(IPM)出現于上世紀九十年代,它通過采用先進的材料和工藝將功率單元、驅動單元、邏輯單元、傳感單元和保護單元等集成于一體,這樣不僅應用方便,更關鍵的是它提高了系統的可靠性,并縮小了體積。某些雷達系統在設計時要求體積小、重量輕和可靠性高,而采用常規的設計將難以達到這一要求,為此,我們采用智能功率模塊來解決這個非常棘手的問題,并研制出無刷直流電動機驅動的高性能雷達伺系統。1）雷達伺服系統早期的雷達伺服系統中多采用普通直流電動機作為執行元件來完成對雷達天線的驅動控制。但是,普通直流電動機由于使用了電刷和機械換向器,因此在工作時會產生電火花干擾,且碳刷在一些環境中磨損快、壽命短,維護不便。而稀土永磁無刷直流電動機作為一種新型的驅動執行元件,采用了電子換向,因而具有可靠性高、壽命長、無電火花干擾的特點,它同時還具有低轉速、大轉矩、高精度等性能。目前,采用無刷直流電動機作為驅動執行元件的伺服系統在一些雷達系統中已經開始應用。采用無刷直流電動機作為驅動執行元件的雷達伺服系統原理框圖如圖1所示。2）無刷直流電動機及其控制①無刷直流電機稀土永磁無刷直流電機是一種新型的電動機,其相電勢為梯形波,電樞電流為120度矩形波。它的基本構成包括電動機本體、控制器和位置傳感器三部分,電機的三相定子繞組分別與作為功率電子開關的橋式主回路中相應的功率開關管連接。由于采用脈寬調制(PWM)控制,所以,電子開關電路由功率開關單元、位置傳感器信號處理單元和脈寬調制器組成,用來控制電動機定子各相繞組通電的順序與時間。位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相連接,它將轉子磁鋼位置變換成電信號,經位置傳感器信號處理單元處理后,去控制功率電子開關,使定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相。隨著各相繞組按一定順序工作,在電機中就產生了旋轉磁場,從而拖動永磁轉子旋轉。②無刷直流電動機的控制無刷直流電動機系統的原理框圖如圖2所示。它由脈寬調制器、無刷直流電動機的換相處理、驅動與保護及橋式逆變主回路幾部分組成。本系統中驅動采用IPM,主回路為脈寬調制式變換器,即PWM變換器。PWM變換器分為不可逆和可逆兩類,它在控制上又分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆分為雙極式和單極式兩種方式。由于雙極式可逆PWM運行,因此,在靜、動態性能要求比較高的雷達伺服系統中應采用雙極式可逆PWM變換器。3）IPM模塊MSK4462及其應用一般說來,智能功率模塊(IPM)包含有數字接口電路、驅動電路、功率器件、保護電路、內部DC--DC變換器等部分,是數模混合式大規模集成電路。事實上,智能功率模塊是復雜分立器件的集成,它在原理上并沒有增加新的功能。智能功率模塊是微電子技術和電力電子技術相結合的產物,它是計算機與電氣設備之間的關鍵接口。 IPM模塊MSK4462是一種無刷直流電動機的控制驅動功率模塊,用IPM模塊MSK4462可方便地構成如圖1所示的無刷直流電動機驅動的高性能雷達伺服系統,該系統中電機換相信號由MSK4462內部的換相邏輯電路產生,而IPM模塊MSK4462外加補償網絡即可構成電流PI調節器,以實現電流的閉環控制。考慮到超調小、電流跟隨性好等性能,電流環可按典型型系統校正。由IPM模塊MSK4462構成的上述雷達伺服系統具有體積小、重量輕、可靠性高的優點。4、IPM智能模塊設PWM整流器的應用1）模塊介紹文中介紹的是富士公司型號為6MBP30RH060的IPM智能模塊，該模塊不僅具有一般IPM的功能外，還具有采用低功耗軟開關技術；帶溫度保護的高性能高可靠性的IGBT。結構原理如圖1所示。①電氣特性6MBP30RH060的IPM智能模塊為額定電流30A，耐壓值600V，直流母線耐壓值450V，抗浪涌值為500V。開關頻率最小1KHz，最大20KHz。對于PWM整流器來說，可以采用20KHz的開關頻率。②保護功能IPM的保護功能應對的是非反復性異常現象，只是起到警告的作用，并不能消除故障。當發出警報時，請停止設備使用，不要施加超過額定值的輸入。A、過電流保護。B、短路保護。C、欠壓保護功能。D、過熱保護。2）基于IPM智能模塊的電路設計5、基于PV·IPM的光伏并網逆變器一種基于PM5086LA060的雙輸入組串光伏并網逆變器。兩支路具有獨立的Boost變換器和最大功率點跟蹤控制，可接不同規格的電池組串作為輸入，極便于光伏系統的配置。介紹了系統的電路結構、光伏智能功率模塊(Photovohaic．IntelligentPowerModuh。簡稱PV．IPM)的特點，給出光伏并網逆變器采用的控制方法。系統有兩級能量變換單元，給出了兩級式并網逆變器的能量管理方法。為抑制地球溫暖化．自然能源發電系統，如太陽能發電等應用日益廣泛。住宅用的太陽能發電系統將太陽能電池板的直流電轉換成交流電。由于調整電壓的功率變換器安裝在室內，因此需要功率變換器尺寸盡可能小。同時，為提高功率變換器的效率．需功率變換器的功率器件能耗盡量低。針對太陽能發電的功率變換器開發出光伏智能功率模塊(PV．IPM)。1）PV-IPM的特征圖l為PM5086LA060內部結構框圖。該模塊將單相輸出逆變電路、兩個斬波電路(有些模塊僅有一個斬波電路．而有的則無斬波電路)及控制芯片集成在較小尺寸的封裝中。PV．IPM采用CSTBTTM硅片技術實現低損耗。在IGBT硅片上還集成了用于準確監測硅片結溫Tj的溫度傳感器。PV-IPM具有短路保護、控制電源欠電壓保護以及過溫保護功能。當PV-IPM檢測到過溫、負載(橋臂)短路、控制電源欠電壓時，會立即關斷IGBT，同時產生并輸出故障信號FO。此外，內部控制芯片能根據測得的集電極電流調節柵極驅動電阻．從而有效減小噪聲。研發出采用PV—IPM光伏并網逆變器的PM5086LA060型樣機．在此主要介紹其系統結構、控制方法，以及樣機的實驗結果。2）光伏并網逆變器的系統結構圖2示出光伏逆變器系統主電路拓撲。該結構特點是：升壓單元由兩路獨立的升壓變換器組成，可在不同輸入電壓和輸入功率下運行，滿足用戶的不同需求。兩路輸入電池板可根據實際環境的需要確定不同的安裝方向，兩路獨立的升壓變換器各自輸出的能量在母線電容匯總后．經后級逆變器饋送給電網：若僅有一路光伏板輸入，可用任意一路作為前級升壓模塊；每路升壓變換器有獨立的最大功率點跟蹤(MPPlr)控制。使系統工作在當前最大功率點(MPP)，提高系統工作效率。3）控制方法圖3為前級Boost變換器及其控制框圖。電壓環輸入參考值Ur以為當前MPP工作電壓值，良好的電壓環路控制，使得升壓變換器的輸入電壓能夠快速準確地跟蹤當前Ur。變換器將光伏陣列輸出的低壓直流電升壓為高壓直流電，向直流母線輸入能量。后級逆變器通過調節并網功率的大小維持育流母線電壓的穩定。因此可認為Boost變換器的負載為直流電壓源。Boost通過控制輸入端的電壓來調節PV陣列的工作點。從而實現MPPT控制。 后級逆變器采用電流控制模式工作。并網電流的大小．即并網功