智能功率模块在变频电源中的应用_精品文档.pdf
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第3期2009年3月工矿自动化IndustryandMineAutomationNo.3Mar.2009文章编号:
1671-251X（2009）03-0091-03智能功率模块在变频电源中的应用卞萍萍,孙玉坤（江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013）摘要:
文章简要介绍了大功率电力电子器件智能功率模块IPM的基本特征,并以三菱公司生产的智能功率模块PM25RSB120为例,分析了其内部结构及相关参数,给出了由IPM构成的变频电源的结构,并详细介绍了基于IPM的变频电源系统主电路的设计及其软件流程。
关键词:
变频电源;智能功率模块;IPM;PM25RSB120中图分类号:
TM464;TP211.5文献标识码:
B收稿日期:
2008-10-30作者简介:
卞萍萍（1982-）,女,江苏大学电气信息工程学院在读硕士研究生,现主要从事变频电源方面的研究工作。
E2mail:
yzxt-00引言智能功率模块（IPM,IntelligentPowerModule）将输出功率器件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内,与普通IGBT相比,其在性能和可靠性上均有提高:
IPM通过采用先进的电流检测型IGBT和与之相匹配的门控电路,实现高效的自保护功能;IPM的使用可缩短系统的设计时间和提高系统的可靠性,并使系统硬件电路简单紧凑,大大减小系统尺寸。
本文通过IPM在变频电源中的应用,着重介绍IPM的基本特性、驱动电路以及外围保护电路的设计。
1IPM智能功率模块笔者以日本三菱公司生产的智能功率模块PM25RSB120为例,介绍IPM的基本特征。
1.1PM25RSB120的内部结构PM25RSB120是一种含有制动单元在内的完整逆变器,它包括7个IGBT和它们各自的驱动保护电路,其中的6个IGBT可组成三相逆变桥,另外1个IGBT再外加1个电阻即可构成制动单元。
PM25RSB120的内部结构1如图1所示。
1.2PM25RSB120的外部接线端子含义图1中,P、N为直流输入端,工作电压为450V;U、V、W为逆变器三相输出端,最大输出电流为50A;BR为刹车控制输入信号;UP、VP、WP、图1PM25RSB120的内部结构图UN、VN、WN分别为6个IGBT的基极驱动输入信号,它们都是低电平有效的电平信号,与外部控制电路之间通过光电三极管隔离;FO、UFO、VFO、WFO分别为下桥臂及上桥臂U、V、W相故障输出端,当它们为低电平时表示模块发生了过流、短路、欠压或过热某种故障。
FO、UFO、VFO、WFO只是向外部控制电路提供指示信号,即使外部控制电路不采取措施,IPM模块也会通过自保护电路封锁基极驱动信号,从而将自己保护起来。
VUPI-VUPC、VVPI-VVPC、VWPI-VWPC、VNI-VNC是4组独立的驱动电源,前三组分别供给U、V、W相3个上桥臂元件,第四组电源供给3个下桥臂元件和制动回路元件。
1.3PM25RSB120内置的保护功能PM25RSB120内置的保护电路可实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护功能。
如果IPM中有1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1个故障信号（FO）。
各种保护功能分述如下:
（1）控制电压欠压（UV）保护:
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时,发生欠压保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号。
（2）过温（OT）保护:
在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了1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（OC）保护:
若流过IGBT的电流值超过过流动作值,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。
（4）短路（SC）保护:
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。
2IPM在变频电源中的应用2.1变频电源的结构本文讨论的是能够调频、调压、智能控制与管理的变频电源,并具有较强的通用性,其系统结构基本可分为2个部分,即系统主电路和控制电路2,如图2所示。
图2变频电源系统结构框图2.2变频电源系统主电路变频电源系统主电路如图3所示,VD1VD4为常规整流器,IPM作为逆变器,虚线框内为基于APFC（有功功率因数校正）技术的整流器。
市电交流信号经过整流滤波器转变为直流信号,又经过APFC电路后变成稳定的直流电源,然后进入IPM的逆变系统。
图3变频电源系统主电路图
（1）IPM驱动隔离电路IPM外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路间的接口,由于IPM本身含有驱动电路,所以只要提供满足驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。
但是,IPM对驱动电源的要求很严格,具体要求:
驱动电压范围为13.516.5V,电压低于13.5V时IPM将会误动作,甚至发生欠压保护;电压高于16.5V可能损坏内部部件。
驱动信号频率为5Hz20kHz,且需采用电气隔离装置,防止干扰。
驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍（2Vces）。
驱动电路输出端的滤波电容不能太大,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3。
现以PM25RSB120内部1组单元为例,介绍其驱动隔离电路,如图4所示（其它单元的接线可依此类推）。
其中IPM的控制输入信号和故障输出信号分别通过光耦HCPL4504和6N137传输,有效起到了电气隔离作用,从而达到了上述技术要求。
图4IPM驱动隔离电路图另外,IPM所需要的4路15V直流电压可通过整流电路直接得到,也可利用三菱公司为IPM系列产品专门配置的电压转换模块M57120L和M57140-01得到。
在M57120L的输入端加1路113400V的直流电压,便可在输出端得到1路20V的直流电压;在M57140-01的输入端加1路1822V的直流电压便可在输出端得到4路相互隔离的15V电压,从而为IPM供电。
显然后者的效果要明显优于前者。
（2）IPM外围保护电路当IPM发生UV、OT、OC、SC中的任一故障时,其故障输出信号持续时间tFo为1.8ms（SC故障持续时间会长一些）,在该时间内IPM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。
由此可见,器件自身产生的故障信号是非保持性的,如果tFo结束后故障仍旧没有排除,IPM将会重复自动保护的过程,反复动作。
OT、OC、SC保护动作都是非常恶劣的运行状态,应尽量避免反复动29工矿自动化2009年3月作,因此,仅依靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护功能。
要使系统真正安全、可靠运行,需要辅助的外围保护电路。
IPM外围保护电路可通过硬件的方式实现,也可通过软件的方式实现,本文采取的是硬件保护电路5,如图5所示。
图5IPM外围保护电路图IPM接口电路前置74HC245为带控制端的三态收发器。
IPM的控制信号经过74HC245的输入、输出后送至IPM接口电路;各个IPM的故障输出信号经过光耦隔离输出后得到高电平FO,送入或门,或门输出经过RC低通滤波后,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,实现保护功能。
2.3变频电源系统控制电路变频电源系统控制电路硬件结构如图6所示,控制电路采用DSPTMS320LF2407（以下简称DSP）作为系统的控制核心4,这样可采用最少的软、硬件实现灵活、准确的在线控制。
图6变频电源系统控制电路硬件结构框图通过键盘键入所要求的输出电压值、频率值,由SCI模块与DSP实现通信,得到IPM当前工作的基准电压信号,经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号,与DSP定时器产生的三角载波信号相交截,输出带有一定死区的驱动控制信号,经驱动单元进行隔离放大后送到IPM。
DSP可以将当前时刻的输出电压、频率值送给单片机并在8位LED上显示出来。
2.4变频电源系统软件设计变频电源系统主程序流程如图7所示。
图7变频电源系统主程序流程图3结语本文介绍了智能功率模块IPM的基本特征及其在变频电源中的应用,详细介绍了该变频电源系统主电路及控制电路设计。
由于采用了功能强大的IPM智能功率模块,该变频电源不但可靠性提高,而且体积小、成本低,目前在生产和实践中已得到广泛应用。
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智能功率模块在变频电源中的应用
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