IPM驱动和保护电路的研究

　　IGBT的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。

2.3 IPM驱动电路设计

　　现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20kHz。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。

　　但是IPM对驱动电路输出电压的要求很严格；具体为:①驱动电压范围为15V±10%；电压低于13.5V将发生欠压保护，电压高于16.5V将可能损坏内部部件。②驱动电压相互隔离，以避免地线噪声干扰。③驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的两倍(2Vces)。④驱动电流可以参阅器件给出的20kHz驱动电流要求，根据实际的开关频率加以修正。⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大，这是因为当寄生电容超过100pF时，噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。

　　这里介绍一种可获得高质量15V电源的方案。该方案驱动电路不仅结构紧凑、简单，而且抗干扰能力强，典型电路如图5所示。

　　图中各器件的类型和参数已经标出，其中，M57140-01和M57120L是三菱公司为其IPM系列产品专门配置的电压变换模块。在M57120L的输入端加一路113V～400V的直流电压可以在输出端得到一路20V的直流电压，在M57140-01的输入端加一路18V～22V的直流电压，输出端可以得到4路相互隔离的15V电压，方便地为IPM供电；HCPL4504和PC817是高速光耦，起到电气隔离IPM与外部电路的作用，IPM的控制信号Cin和故障输出信号FO通过光耦传输。

　　在应用要求不高的场合也可以用常用的整流电路得到的20V直流电压取代M57120作为M57140-01的输入端，也可以采用整流电路直接得到的15V直流电压为PM100DSA120供电，但效果不如图5所示的方案，实践应用中证明了这一点。

3 IPM保护电路的设计

　　完善的系统保护不能只依靠IPM的内部保护机制，需要辅助外围的保护电路，这可以通过硬件的方式实现，也可以通过软件的方式实现。

3.1 IPM保护电路的硬件实现

　　实现方式很多，列举两个例子说明。

　　方案一 PWM接口电路前置74HC245、74HC244等带控制端的三态收发器，如图6所示。IPM的控制信号经过74HC245的输入、74HC245的输出后送至IPM接口电路；各个IPM的故障输出信号经光耦隔离输出后得到高电平FO，送入或门，或门输出经过R-C低通滤波器后，送入74HC245的使能端／OE。IPM正常工作时，或门输出为低电平，74HC245选通；IPM故障报警时，或门输出为高电平，74HC245所有输出置为高阻，封锁各个IPM的控制信号，关断IPM；实现了保护功能。

　 方案二 PWM接口电路前置一级带控制端的光耦，如6N137。方案二的原理与方案一类似，只是由于高电平使能控光耦合6N137，或门换成了或非门，其输出经过R-C低通滤波器后，送入了可控光耦合6N137的光耦使能端VE，　但同样在IPM故障报警时封锁IPM的控制信号通道，实现了保护功能。

　　需要注意的是，为缩短故障响应时间，R-C低通滤波器时间常数应该小。两级光耦延长了响应时间，应选用高速光耦。

　　以上两种方案都是利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，因而弥补了IPM自身保护的不足，有效地保护了器件。

3.2 IPM保护电路的软件实现

　　软件的基本思路是:IPM故障报警时，故障输出信号送到控制器处理，处理器确认后，利用软件关断IPM的控制信号，从而达到保护目的。

　　综上所述，软件保护不需增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响；硬件保护则反应迅速，工作可靠。实践应用中软件与硬件结合的保护方式能更好地提高系统的可靠性。

4 IPM的驱动和保护电路的设计实例

　　笔者在DSP控制开关磁阻电机的项目中，选用IPM作为功率变换器的主开关器件，控制器采用了德州公司的TMS320F240 数字信号处理器，功率驱动电路的输入(即IPM的控制信号)由TMS320F240内含的全比较单元相对应的PWM1～PWM4产生。

　　TMS320F240的事件管理器模块包含一个功率驱动保护引脚(PDPINT)，当该引脚被拉低时，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，因此PDPINT可用来为监控程序提供电机驱动的异常情况，并实现故障保护。

驱动电路的设计如图4所示。保护电路选用软件保护，四个功率器件IPM的故障信号经过光耦隔离，送至或非门CD4078，其输出经过低通阻容滤波器连接到DSP的PDPINT引脚。当IPM故障报警时，PDPINT引脚被拉为低电平，