IPM驱动和保护电路的研究

　　摘要：介绍了IPM的基本工作特性和常用IPM驱动和保护电路的设计方法，并给出了一个驱动和保护电路的设计实例。
　　关键词：IGBT（绝缘栅双极性晶体管）IPM（智能功率模块）PIC（功率集成电路）
　　
　　智能功率模块（ＩＰＭ）是ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ的缩写，是一种先进的功率开关器件，具有ＧＴＲ(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及ＭＯＳＦＥＴ（场效应晶体管）高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且ＩＰＭ内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路（ＰＩＣ），在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０为例，介绍ＩＰＭ的基本特性，然后着重介绍ＩＰＭ的驱动和保护电路的设计。
　　
　　１ＩＰＭ的基本工作特性
　　
　　１．１ＩＰＭ的结构
　　
　　ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的复合，由ＭＯＳＦＥＴ驱动ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有两者的优点。
　　
　　ＩＰＭ根据内部功率电路配置的不同可分为四类：Ｈ型（内部封装一个ＩＧＢＴ）、Ｄ型（内部封装两个ＩＧＢＴ）、Ｃ型（内部封装六个ＩＧＢＴ）和Ｒ型（内部封装七个ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多层环氧绝缘系统，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷绝缘。
　　
　　１．２ＩＰＭ内部功能机制
　　
　　ＩＰＭ的功能框图如图２所示。ＩＰＭ内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。
　　
　　ＩＰＭ内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的ＩＧＢＴ模块相比，ＩＰＭ在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。
　　
　　保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果ＩＰＭ模块中有一种保护电路动作，ＩＧＢＴ栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号（ＦＯ）。各种保护功能具体如下：
　　
　　（１）控制电压欠压保护（ＵＶ）：ＩＰＭ使用单一的＋１５Ｖ供电，若供电电压低于１２．５Ｖ,且时间超过ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
　　
　　（２）过温保护（ＯＴ）：在靠近ＩＧＢＴ芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当ＩＰＭ温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
　　
　　（３）过流保护(ＯＣ)：若流过ＩＧＢＴ的电流值超过过流动作电流，且时间超过ｔｏｆｆ，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di/dt，大多数ＩＰＭ采用两级关断模式，过流保护和短路保护操作可参见图３。其中，ＶＧ为内部门极驱动电压，ＩＳＣ为短路电流值，ＩＯＣ为过流电流值，ＩＣ为集电极电流，ＩＦＯ为故障输出电流。
　　
　　（４）短路保护(ＳＣ)：若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过ＩＧＢＴ的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数ＩＰＭ采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，ＩＰＭ内部使用实时电流控制电路（ＲＴＣ）,使响应时

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