基于三菱IPM模块的外围接口电路设计

摘要：介绍了三菱IBM的基本工作特性，并以第五代智能功率模块PS21563-P为例，阐述了IPM模块外围接口电路的设计。在充分利用该模块的各种故障检测及保护电路的基础上，为了使系统安全、可靠的运行，又提出了母线电路中欠、过压保护电路设计，最后通过实例证明该接口电路设计具有结构简单、运行可靠等优点。
关键词：智能功率模块；故障检测；三菱IBM

由于IPM模块的高集成化、智能化、小型化、保护电路功能齐全、控制驱动简单等优点，被广泛的应用于伺服电机等领域。传统的IPM使用了分立元器件，使的控制电路难以实现低成本小型化要求，而且控制电路的寄生电容或电感产生的噪音有时会使IGBT产生误动作。随着开关频率的不断提高，加剧了寄生电容或电感对电路的影响。为了提高变频系统的可靠性，实现小型化、降低系统成本，本文以三菱公司的第五代IPM模块PS21563-P为例，介绍了IPM外围驱动和保护电路的设计，并提供了一种IPM过、欠压保护功能硬件的设计方法。

1 TPM基本工作特性简介
1．1 IPM的结构
IPM智能功率模块将IGBT芯片、快速二极管，控制和驱动电路，欠压、过流、短路和过热保护电路、自诊断电路等封装在一起，从而使电力电了逆变器获得了高频化、小型化、高可靠性和易维护等优点，也使得整个电路设计简化，成本降低。由于采用了两种不同的封装技术，使得内置栅极驱动及保护电路能适用的电流范围更宽。小功率器件采用多层环氧树脂粘合绝缘技术，而中大功率器件采用一种陶瓷绝缘技术。IPM根据内部功率电路配置的不同可以分为单管封装H型、双管封装D型、六合一封装C型和七合一封装R型四种形式。以六合一封装C型IPM为例，其内部功能框图如图1所示。

1．2 IPM的保护功能
IPM内置有控制电源的欠压保护、过流保护、过温保护和短路保护，当其中任一种保护功能动作出现时，IGBT驱动单元就会封锁门极，并输出一个故障信号。
(1)短路保护(SC) IPM的N—side(下臂)具有短路(SC)保护，并且可产生故障信号。若负载发生短路或控制系统发生故障导致短路，通过旁路电阻和RC检测到下桥臂直流母线电压的线电流超过短路电流的参考电压值，并且短路时间超过toff(SC)时，则发生短路保护，所有下桥臂IGBT的栅极驱动单元郜将被封锁．并输出故障信号。
(2)控制电压欠压保护(UV) IPM的上、下桥臂都设有欠压保护(UV)功能，当控制电压降低时，会导致IGBT的Vce(sat)功耗增加，为了防止过热而损坏元件，当检测到控制电压低于12．5 V时，发生欠压保护，IGBT的栅极驱动单元都将被封锁，并输出故障信号。
(3)过温保护(OT) 七管封装的R型IPM在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装有温度传感器。IPM温度传感器可以直接检测IGBT单元硅片的温度，当温度超过设定值(0T动作电平)时，IGBT封锁门极驱动电路，并输出故障信号。
(4)过流保护(OC) 有些六管封装的C型IPM具有过流保护功能。当流过IGBT的电流超过过流值时，发生过流保护，IGBT封锁门极驱动电路，输出故障信号。
当IPM发生UV、OT、OC、SC任一故障时，其故障输出信号持续时间tOF为1．8 ms，在一般情况下SC持续时间会更长一些。此时间内IPM会封锁门极信号，关断IPM。故障输出信号结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。由此可见，器件自身产生的故障信号不能持续，若tOF结束后故障仍没有排除，IPM就会重复自动保护过程，反复动作。这种情况对系统是极其不利的。因此，只靠IPM内部自身的保护电路来实现系统的安全可靠运行是不够的，还需要辅助的外围保护电路。

2 IPM的驱动电源设计
由于IPM采用高压快速元器件并内置有周边电路，所以只需要一路正15 V的驱动电源，用自举方式便可获得四路浮动的15 V电源，这就降低了系统的复杂性，提高了可靠性。当驱动电源电压低于12．5 V或高于16．5 V时系统将发生故障保护。为了使系统可靠运行，驱动电源采用线性电源，经变压器降压、二极管整流后通过15 V稳压电源获得。其电路原理图如图2所示。

端。当引脚接受到低电平信号时，DSP立即封锁PWM输出，从而对硬件系统实施保护。并且当母线电压过、欠压或IPM发生故障时相应的指示灯就会亮起。IPM保护电路图如图3所示。

3．2 IPM的典型应用电路
良好的外围驱动电路为系统安全、可靠运行提供了重要保障。由IPM内部功能框图可知，器件本身已含有驱动电路。所以只需要提供电源、满足驱动功率要求的门极驱动信号和电气隔离装置即可。现以第五代C型IPM PS21563-P为例，来设计IPM的典型外围电路，如图4所示。

自举电路可以由R、C、D组成，R、C、D的选择方法如下

其中：IDB——IC的驱动电流，PS21563-P最大驱动电流为2 mA；
T——IGBT最大通态脉宽，PWM频率为10kHz，则T=100μs；
△UDB——放电电压，取电压不低于14 V，则放电电压为△UDB=15 V-14 V=1 V。
由式(1)可得C=0．2μF，为增加系统的可靠性，选取50μF／50 V的高压陶瓷电容。

式中：t0——下桥臂IGBT最小脉冲宽度，死区时间为1．5μs，t0=3μs；
C——电容的计算值，C=0．2μF。由式(2)可得R=7．5 Ω。
D选取1A／600 V的快恢复二极管。
虽模块内部集成了专用的HVIC，其控制端口可与CUP端子直接相连。但为了确保系统安全可靠运行，电路采用高速、高共模比的IPM专用光耦HCPL-4504，实现光耦隔离的连接。为防止浪涌电流，整流后的直流母线电压经CDB941系列的吸收电容接入IPM的P、N端。在PS21563-P的短路保护电压检测端和VNC端之间接电流检测电阻，用于检测短路故障。短路保护动作电压门限为0．45～0．52 V，设定保护电流门限为5 A，所以取检测电阻值为0．1 Ω，电流取样信号经由Rsf、Csf组成的滤波电容输入到过流保护输入端CIN，当母线过电流时，FO故障输出端输出低电平。

4 结束语
系统运行和捌试结果表明，IPM供电电源稳定、可靠，系统运行良好。文中介绍的驱动和保护电路满足IPM工作要求，利用IPM自身的输出信号再配上一些外围保护电路，可以使系统保护电路更加完善，能够有效地保护器件。此设计方法有着广泛的应用范围。