IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用
摘要：介绍了IGBT-IPM智能模块的基本情况和功能特点，并对该智能功率模块的相关电路设计方法和需要注意的问题进行了深入地分析，最后结合SVG装置，详细说明了该模块的应用，并给出了系统硬件结构图。
关键词：IGBT-IPM智能模块；SVG；DSP
１引言
电力系统中大功率电力电子装置的开关元件主要是晶闸管和ＧＴＯ。但是，随着近年来双极功率晶体管及功率ＭＯＳＦＥＴ的问世以及生产技术的成熟，这些开关元件凭借自身优越的性能逐渐替代了晶闸管和ＧＴＯ，并朝着节能、轻便、小型化的方向迅速发展。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ?ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）智能模块正是其中的代表之一，它将ＩＧＢＴ单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之中，利用这些优越的特性可极大地提高实际应用系统的稳定性?同时可简化设计的难度?缩小装置的体积。
图1
２ＩＧＢＴ智能模块的主要特点
与过去ＩＧＢＴ模块和驱动电路的组合电路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ内含驱动电路且保护功能齐全，因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本文将要介绍的是富士电机最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模块７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特点和使用情况。它除了具有体积小、可靠性高、价格低廉等优点以外，还具有以下主要功能：
●内含驱动电路。该模块同时具有软开关特性，可控制ＩＧＢＴ开关时的ｄＶ／ｄｔ和浪涌电压；用单电源驱动时，无需反向偏压电源；并可防止误导通。关断时，ＩＧＢＴ栅极低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而误导通；模块中的每个ＩＧＢＴ的驱动电路都设计了最佳的驱动条件。
●内含各种保护电路。每个ＩＧＢＴ都具有过流保护（ＯＣ）、负载短路保护（ＳＣ）、控制电源欠压保护（ＵＶ）和过热保护（ＯＨ）等功能。
图2
●内含报警输出功能。当出现上述保护动作时，可向控制ＩＰＭ的微机系统输出报警信号。
●包含有制动电路。内含制动单元的ＩＰＭ模块，用此单元可以抑制ＰＮ端子间的电压升高。
图１为该ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模块的内部结构图，图中的前置驱动部分包括驱动放大、短路保护、过流保护、欠压闭锁、管心过热保护等功能电路。图中，各个引脚和端子的标号列于表１。
表1IGBT-IPM智能模块的脚及端子标号
端子标号
内容
P,N经过整流变换平滑滤波后的主电源Vd的输入端子。P：+端，N：-端B制动输出端子：再生制动电阻电流的输出端子。不用时，建议接到P或N上U，V，W模块的3相输出端子(1)GNDU,(3)VccUU相上臂控制电源Vcc输入。VccU:+端；GNDU：-端(4)GNDV,(6)VccVV相上臂控制电源Vcc输入。VccV:+端；GNDV：-端(7)GNDW,(9)VccWW相上臂控制电源Vcc输入。VccW：+端；GNDW：-端（10）GND，（11）Vcc下臂公用控制电源Vcc输入。Vcc：+端；GND：-端（2）U，（5）V，（8）W下臂U，V，W相控制信号输入（13）X，（14）Y，（15）Z下臂X，Y，Z相控制信号输入（12）DB，（16）ALMDB为下臂相控制信号输入，ALM为保护电路动作时的报警信号输出
３ＩＧＢＴ智能模块电路设计
ＩＧＢＴ智能模块的电路设计主要分为主电源部分、光耦外围控制部分、缓冲电路部分及散热部分。下面分别对这四部分的设计方法和需要注意的问题进行说明。
３．１主电源电路
富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模块有很多不同的系列，每一系列的主电源电压范围各有不同，在设计时一定要考虑其应用场合的电压范围。６００Ｖ系列主电源电压和制动动作电压都应该在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列则要在８００Ｖ以下。开关时的最大浪涌电压：６００Ｖ系列应在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列应该在１０００Ｖ以下，根据上述各值的范围，使用时应使浪涌电压限定在规定的值内，且应在最靠近Ｐ、Ｎ端子处安装缓冲器（如果一个整流电路上接有多个ＩＧＢＴ模块，还需要在Ｐ、Ｎ主端子间加浪涌吸收器）。虽然在模块内部已对外部的电压噪声采取了相应的措施，但是由于噪声的种类和强度不同，加之也不可能完全避免误动作或损坏等情况，因此需要对交流进线加滤波器，并绝缘接地，同时应在每相的输入信号与地（ＧＮＤ）间并联１０００ｐＦ的吸收电容。
３．２光耦外围控制部分
与主电源电路不同，外围控制电路主要针对的是单片机控制系统的弱电控制部分。由于模块要直接和配电系统连接，因此，必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离开来，以保护单片机控制系统。同时，ＩＧＢＴ模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以， 《IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用》
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关键词：IGBT-IPM智能模块；SVG；DSP
１引言
电力系统中大功率电力电子装置的开关元件主要是晶闸管和ＧＴＯ。但是，随着近年来双极功率晶体管及功率ＭＯＳＦＥＴ的问世以及生产技术的成熟，这些开关元件凭借自身优越的性能逐渐替代了晶闸管和ＧＴＯ，并朝着节能、轻便、小型化的方向迅速发展。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ?ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ）智能模块正是其中的代表之一，它将ＩＧＢＴ单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之中，利用这些优越的特性可极大地提高实际应用系统的稳定性?同时可简化设计的难度?缩小装置的体积。
图1
２ＩＧＢＴ智能模块的主要特点
与过去ＩＧＢＴ模块和驱动电路的组合电路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ内含驱动电路且保护功能齐全，因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本文将要介绍的是富士电机最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模块７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特点和使用情况。它除了具有体积小、可靠性高、价格低廉等优点以外，还具有以下主要功能：
●内含驱动电路。该模块同时具有软开关特性，可控制ＩＧＢＴ开关时的ｄＶ／ｄｔ和浪涌电压；用单电源驱动时，无需反向偏压电源；并可防止误导通。关断时，ＩＧＢＴ栅极低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而误导通；模块中的每个ＩＧＢＴ的驱动电路都设计了最佳的驱动条件。
●内含各种保护电路。每个ＩＧＢＴ都具有过流保护（ＯＣ）、负载短路保护（ＳＣ）、控制电源欠压保护（ＵＶ）和过热保护（ＯＨ）等功能。
图2
●内含报警输出功能。当出现上述保护动作时，可向控制ＩＰＭ的微机系统输出报警信号。
●包含有制动电路。内含制动单元的ＩＰＭ模块，用此单元可以抑制ＰＮ端子间的电压升高。
图１为该ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模块的内部结构图，图中的前置驱动部分包括驱动放大、短路保护、过流保护、欠压闭锁、管心过热保护等功能电路。图中，各个引脚和端子的标号列于表１。
表1IGBT-IPM智能模块的脚及端子标号
端子标号
内容
P,N经过整流变换平滑滤波后的主电源Vd的输入端子。P：+端，N：-端B制动输出端子：再生制动电阻电流的输出端子。不用时，建议接到P或N上U，V，W模块的3相输出端子(1)GNDU,(3)VccUU相上臂控制电源Vcc输入。VccU:+端；GNDU：-端(4)GNDV,(6)VccVV相上臂控制电源Vcc输入。VccV:+端；GNDV：-端(7)GNDW,(9)VccWW相上臂控制电源Vcc输入。VccW：+端；GNDW：-端（10）GND，（11）Vcc下臂公用控制电源Vcc输入。Vcc：+端；GND：-端（2）U，（5）V，（8）W下臂U，V，W相控制信号输入（13）X，（14）Y，（15）Z下臂X，Y，Z相控制信号输入（12）DB，（16）ALMDB为下臂相控制信号输入，ALM为保护电路动作时的报警信号输出
３ＩＧＢＴ智能模块电路设计
ＩＧＢＴ智能模块的电路设计主要分为主电源部分、光耦外围控制部分、缓冲电路部分及散热部分。下面分别对这四部分的设计方法和需要注意的问题进行说明。
３．１主电源电路
富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模块有很多不同的系列，每一系列的主电源电压范围各有不同，在设计时一定要考虑其应用场合的电压范围。６００Ｖ系列主电源电压和制动动作电压都应该在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列则要在８００Ｖ以下。开关时的最大浪涌电压：６００Ｖ系列应在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列应该在１０００Ｖ以下，根据上述各值的范围，使用时应使浪涌电压限定在规定的值内，且应在最靠近Ｐ、Ｎ端子处安装缓冲器（如果一个整流电路上接有多个ＩＧＢＴ模块，还需要在Ｐ、Ｎ主端子间加浪涌吸收器）。虽然在模块内部已对外部的电压噪声采取了相应的措施，但是由于噪声的种类和强度不同，加之也不可能完全避免误动作或损坏等情况，因此需要对交流进线加滤波器，并绝缘接地，同时应在每相的输入信号与地（ＧＮＤ）间并联１０００ｐＦ的吸收电容。
３．２光耦外围控制部分
与主电源电路不同，外围控制电路主要针对的是单片机控制系统的弱电控制部分。由于模块要直接和配电系统连接，因此，必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离开来，以保护单片机控制系统。同时，ＩＧＢＴ模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以， 《IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用》
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