IPM驱动和保护电路的研究

智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写，是一种先进的功率开关器件，具有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。

1 IPM的基本工作特性

1.1 IPM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。

1.2 IPM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，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，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)；使响应时间小于100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果[1]。

　　当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tFO为1.8ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM；故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。

可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果tFO结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。

2 IPM驱动电路的设计

　　驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。

2.1 IGBT的分立驱动电路的设计

　　IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题；设计时应注意以下几点:①IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。图4为IGBT栅极保护原理图，其中，RG、DZ、Cin分别为等效栅极阻抗、稳压管和等效输入电容。②尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大，这一点设计者往往忽略。假定开通驱动时，在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电，则驱动电流为，其中可取tr=2.2RCin，R为输入回路电阻。③为可靠关闭IGBT； 防止擎住现象； 要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。


2.2 IGBT集成式驱动电路