IPM在電力機車(chē)大功率開(kāi)關(guān)電源中的應用
隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導體技術(shù)已經(jīng)成為現代電力電子技術(shù)的核心。以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的功率器件，在眾多工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。IGBT作為一種典型的雙極性MOS復合型功率器件，集MOSFET與GTR(大功率晶體管)的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高，開(kāi)關(guān)速度快，熱穩定性好和驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單的長(cháng)處，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點(diǎn)。IPM(intelligent power
module)作為一種智能功率模塊，它以IGBT為基礎，內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，與普通IGBT相比，在系統性能和可靠性上均有很大的提高，同時(shí)由于IPM通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個(gè)系統的體積減小了很多，適應了功率器件的發(fā)展方向，從而應用領(lǐng)域越來(lái)越廣。
1 IPM的基本結構
1.1 IPM結構形式
IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和優(yōu)先的門(mén)級驅動(dòng)及保護電路構成，如圖1所示。根據內部功率電路配置的不同，IPM分為H型、D型、C型和R型4種。圖中，H型內部封裝1個(gè)IGBT，D型內部封裝2個(gè)IGBT，C型內部封裝6個(gè)IGBT，R型內部封裝7個(gè)IGBT。
1.2 IPM的內部機制
IPM內部設有柵極驅動(dòng)控制電路、故障檢測電路和各種保護電路，采用帶有電流傳感器的IGBT芯片，用以監測IGBT的主電流。而內部故障保護電路主要用以檢測過(guò)流、過(guò)熱和欠壓等故障。圖2為IPM功能框圖。
2 IPM保護功能
IPM內置的驅動(dòng)和保護電路使系統硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統的開(kāi)發(fā)周期，也提高了系統在故障情況下的自我保護能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護電路，因而IPM在系統性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保護功能包括控制電壓欠壓保護、過(guò)熱保護、過(guò)流保護和短路保護。如果IPM模塊中的一種保護電路產(chǎn)生動(dòng)作，其內部的IGBT柵極驅動(dòng)單元就會(huì )關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號(Fo)。
(1)控制電壓欠壓保護(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12.5 V，且時(shí)間超過(guò)toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號Fo。如圖3所示。
(2)過(guò)熱保護(0T)：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)熱保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號Fo。
(3)過(guò)流保護(0C)：若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)toff，則發(fā)生過(guò)流保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號Fo。為避免發(fā)生過(guò)大的電流變化率di/dt，大多數的IPM采用兩級關(guān)斷模式。如圖4所示。
(4)短路保護(SC)：若負載發(fā)生短路或控制系統故障導致短路，流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。跟過(guò)流保護一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的電流變化率di/dt，大多數IPM采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護的電流檢測和故障動(dòng)作問(wèn)的響應時(shí)間，IPM內部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，使響應時(shí)間小于100 ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。
當IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一種故障時(shí)，IPM將立即輸出故障信號Fo，該故障信號持續時(shí)間tFo為1.8 ms(SC持續時(shí)間會(huì )長(cháng)一些)，此時(shí)間內IPM會(huì )封鎖門(mén)極驅動(dòng)，關(guān)斷IPM。當故障輸出信號持續時(shí)間結束后，IPM內部會(huì )自動(dòng)復位，門(mén)極驅動(dòng)通道重新開(kāi)放。
IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果在tFo結束后故障源仍然沒(méi)有被排除，則IPM就會(huì )重復自動(dòng)保護的過(guò)程，反復動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護動(dòng)作都是非常惡劣的運行狀況，設計時(shí)應避免其反復動(dòng)作，因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實(shí)現器件的自我保護。為了使系統真正安全、可靠地運行，通常需要設計輔助的外圍保護電路。同時(shí)，IPM對欠壓、過(guò)流、短路和過(guò)熱等故障發(fā)生時(shí)，均輸出同一個(gè)故障信號Fo因而主控系統無(wú)法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進(jìn)一步的故障診斷技術(shù)。
3 IPM在電力機車(chē)模塊化分布式大功率開(kāi)關(guān)直流穩壓電源中的應用
電力機車(chē)中的110 V穩壓電源是為機車(chē)上的各種控制器件以及儀表照明和信號顯示屏等相關(guān)設備提供動(dòng)力，因而對整個(gè)電力機車(chē)來(lái)講至關(guān)重要。電力機車(chē)110 V穩壓電源的輸出功率大，對穩定性和可靠性要求非常高。為了滿(mǎn)足系統要求，采用了分布式結構，利用多個(gè)逆變模塊，通過(guò)負荷分擔的方式來(lái)組成大功率系統。同時(shí)，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來(lái)產(chǎn)生逆變器的控制信號，從而提高了系統的可靠性和可控制性。
IPM在應用時(shí)首先應注意型號的選擇，不同型號的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過(guò)高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時(shí)必須合理地預留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時(shí)要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問(wèn)應涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅動(dòng)電路中地線(xiàn)噪聲的影響，設計時(shí)應注意將驅動(dòng)電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開(kāi)關(guān)同時(shí)打開(kāi)，設計時(shí)應注意采用死區控制方式。
筆者在“電力機車(chē)模塊化分布式110 V直流穩壓電源”項目中選用了日本東芝的IPM模塊PM75CSA120作為逆變器主元件。M75CSAl20與主控制電路板采用光電耦合器件進(jìn)行隔離，在光電耦合器件的選型上，根據PM75CSAl20驅動(dòng)的要求，對橋臂的驅動(dòng)選用HCPL4504高速光電耦合器件，而在故障反饋回路，選用低速光電耦合器件PC817，這兩種光電耦合器件都具有很好的共模抑制特性，適合本系統的應用環(huán)境。其電路如圖5所示。
IPM逆變器控制信號由DSP控制單元產(chǎn)生，DSP選用了TI公司的TMS320F2812數字信號處理芯片。功率驅動(dòng)電路的輸入(即IPM的控制信號)由
TMS320F2812內含的全比較單元相對應的PWM0～PWM3產(chǎn)生。
TMS320F2812的事件管理器模塊包含了兩個(gè)功率驅動(dòng)保護中斷引腳(PDPINTx，x=A或B)，當IPM過(guò)壓、過(guò)流、短路及溫度的急劇上升時(shí)，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài)。因此功率驅動(dòng)保護中斷引腳可用來(lái)監測直流電源的異常情況，同時(shí)實(shí)現故障保護。
在實(shí)際的電源調試過(guò)程中，盡管輸出的電流達到了20 A，但IPM工作仍然十分穩定，通過(guò)人為設置故障，IPM保護電路反應迅速，同時(shí)有效輸出故障信號，從保護了功率器件，提高了電源的穩定性。
4 結語(yǔ)
IPM作為一種智能功率器件，以其損耗小，開(kāi)關(guān)速度快，耐壓等級高，體積小，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地應用。IPM在大功率逆變電源的應用中，減小了電源的體積和重量，提高了轉換效率，保證了電源的穩定可靠性能。
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