新型智能功率模塊(ASIPM)的功能及應(yīng)用

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大連市節(jié)能監(jiān)察支隊 (遼寧 116013)徐慧勇

智能化的發(fā)展是系統(tǒng)智能集成(SIPM)，即將電源電路、各種保護(hù)以及PWM 控制電路等集成在一個芯片上，制成一個完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將驅(qū)動、自動保護(hù)、自診斷功能的IC 與電力電子器件集成在一個模塊中，由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產(chǎn)生的寄生參數(shù)已成為決定電力電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，所以采用IPEM 方法可減少設(shè)計工作量，便于生產(chǎn)自動化，提高系統(tǒng)質(zhì)量、可靠性和可維護(hù)性，縮短設(shè)計周期，降低產(chǎn)品成本。為此，新型智能功率模塊IPM (Intelligent Power Module)應(yīng)運而生。三菱智能功率模塊IPM (Intelligent Power Modules)是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT 芯片和優(yōu)選的門極驅(qū)動及保護(hù)電路構(gòu)成。與其他功率模塊相比，選用三菱智能功率模塊，可以使系統(tǒng)硬件電路簡單，減小系統(tǒng)尺寸，提高可靠性與穩(wěn)定性，并可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。

采用日本三菱公司研制的第四代智能功率模塊——用戶專用功率模塊 (ASIPM)PS11035 系統(tǒng)使硬件電路簡單，可減小交流伺服驅(qū)動器尺寸，提高可靠性與穩(wěn)定性，并可以縮短系統(tǒng)的開發(fā)時間。與第三代IPM 相比，該功率模塊還具有更低的飽和壓降、更豐富的功能和更小的體積。額定電壓為600V，額定電流為15～75A，特別適用于交流伺服系統(tǒng)。輸入絕緣接口電路可采用快速光耦，從而可以提高系統(tǒng)的性能。內(nèi)置二極管也采用第三代芯片，改善了反向恢復(fù)特性，也就是說，在抑制電磁干擾時，可采用較少的恢復(fù)電荷和較軟的恢復(fù)特性。

1.用戶專用功率模塊(ASIPM)

(1)ASIPM 主要特性 交流伺服系統(tǒng)中對驅(qū)動器的可靠性與穩(wěn)定性要求較高。這樣，需要對飽和壓降、開關(guān)速度以及安全運行區(qū)這三個主要特性之間的關(guān)系加以調(diào)整，ASIPM 就具有這些技術(shù)特性。ASIPM 比較適用于直流輸入/三相輸出、功率在0.75～5.0kW 范圍內(nèi)的電動機控制系統(tǒng)。

ASIPM 內(nèi)部設(shè)有門極驅(qū)動控制電路、故障檢測和各種保護(hù)電路，采用帶有電流傳感器的IGBT 芯片。這樣，第三代IGBT 芯片帶有許多起電流傳感器作用的小單元。這些小單元的信號反饋到一個比較器上，以監(jiān)測IGBT 的主電流。內(nèi)部的故障保護(hù)電路則用來檢測過流、過熱及欠壓等故障。這些非正常運行狀態(tài)出現(xiàn)時，IPM 就會自動關(guān)斷，同時通過驅(qū)動板的光學(xué)傳感器向控制板發(fā)送一個故障信號，提高系統(tǒng)的可靠性。

ASIPM 的內(nèi)部集成了三相整流橋，與其他的智能功率模塊相比，安裝與布線簡單，減少伺服驅(qū)動器的體積與重量，提高了系統(tǒng)的集成度，降低了成本。ASIPM—PS11035 的整體功能框圖如圖1 所示。

圖1 PS11035 的控制功能圖

(2)IGBT 芯片特性及續(xù)流二極管(FWD)芯片ASIPM 中IGBT 芯片的Vce (sat)可降到1.5V，且具有如下特性:①飽和壓降和開關(guān)速度之間的關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化。②具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制IC 給出的保護(hù)范圍。③采用電流傳感器單元設(shè)計。

在供電系統(tǒng)中，續(xù)流二極管(FWD)的特性對開通損耗和浪涌電壓影響很大，為了減少這種影響，要求續(xù)流二極管具有快而軟的反向恢復(fù)特性。反向恢復(fù)電流由通態(tài)時p -n 結(jié)的少數(shù)載流子密度決定。但是恢復(fù)電荷和通態(tài)電壓是相互制約的，協(xié)調(diào)兩者之間的關(guān)系，可獲得比較好的恢復(fù)恃性。ASIPM 的接口電路一般都采用快速光電耦合電路。

2.IPM 的保護(hù)功能

IPM 內(nèi)置有驅(qū)動和保護(hù)電路過載時損壞功率芯片。它采用的故障檢測和關(guān)斷方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM 內(nèi)置各種保護(hù)功能，其等效電路如圖2 所示。只要有一個保護(hù)電路起作用，IGBT 的門極驅(qū)動電路就關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號。

圖2 輸入及故障保護(hù)接口

(1)短路保護(hù) 負(fù)載短路或系統(tǒng)控制器因相互干擾而發(fā)生直通現(xiàn)象時，IPM 內(nèi)的短路保護(hù)電路就會關(guān)斷IGBT。流過IGBT 的電流超過電流斷開閾值(SC)時，就會立即開始關(guān)斷，同時產(chǎn)生一個故障信號。

(2)過流保護(hù) 如果IGBT 中的電流超過過流斷開閾值(OC)，且持續(xù)時間大于toff (oc)時，IGBT就會關(guān)斷，toff (oc)設(shè)置為10μs (典型值)。電流在OC 以上但持續(xù)時間小于toff (oc)時，過流保護(hù)電路不工作。IPM 是采用帶電流傳感器的IGBT 來檢測器件的實際電流的。

(3)控制電源欠壓鎖定 內(nèi)部控制電路由15V直流電源供電。無論什么原因，只要該電源電壓降到欠壓斷開閾值(UV)以下，IPM 就關(guān)斷，同時會產(chǎn)生一個故障信號。小毛刺干擾電壓的持續(xù)時間小于規(guī)定的延時時間tduv 時，控制電路不受影響，欠壓鎖定保護(hù)電路也不動作，該tduv 值約為10μs。為了恢復(fù)正常運行狀態(tài)，電源電壓必須超過欠壓復(fù)位閾值(UVr)?？刂齐娫瓷想姾偷綦娖陂g，欠壓鎖定保護(hù)電路都有可能起作用，這屬于正?，F(xiàn)象，系統(tǒng)控制器程序所要考慮的只是所產(chǎn)生的故障輸出信號的脈沖寬度(tFO)。

(4)過熱保護(hù) 靠近IGBT 芯片的絕緣基板上裝有溫度傳感器，基板的溫度超過過熱斷開閾值(OT)時，IPM 內(nèi)的保護(hù)電路就會中止門極驅(qū)動，不響應(yīng)控制輸入信號，直到過熱根源被排除。溫度下降到過熱復(fù)位閾值(OTr)以下，同時控制輸入為高電平(斷態(tài))時，功率芯片將恢復(fù)工作，當(dāng)下一個低電平輸入信號(通態(tài))來臨時就恢復(fù)正常運行。

3.ASIPM 的應(yīng)用

經(jīng)試驗測試，如圖2 所示的接口電路可以滿足交流伺服驅(qū)動器的可靠性與穩(wěn)定性的要求。

交流伺服系統(tǒng)中，要求具有較高的可靠性、可維護(hù)性和較低的功耗。這種用戶專用智能功率模塊(ASIPM)適用于交流伺服系統(tǒng)中，使用ASIPM 后，交流伺服驅(qū)動器的各種特性得到明顯改善。