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IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的研究
摘要：介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，并給出了一個(gè)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)實(shí)例。智能功率模塊（ＩＰＭ）是Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ的縮寫，是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，具有ＧＴＲ(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，以及ＭＯＳＦＥＴ（場(chǎng)效應(yīng)晶體管）高輸入阻抗、
高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且ＩＰＭ內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路，使用起來方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開發(fā)時(shí)間，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路（ＰＩＣ），在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例，介紹ＩＰＭ的基本特性，然后著重介紹ＩＰＭ的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
１ ＩＰＭ的基本工作特性
１．１ ＩＰＭ的結(jié)構(gòu)
ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優(yōu)選的門級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復(fù)合，由ＭＯＳＦＥＴ驅(qū)動(dòng)ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。
ＩＰＭ根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類：Ｈ型（內(nèi)部封裝一個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｄ型（內(nèi)部封裝兩個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｃ型（內(nèi)部封裝六個(gè)ＩＧＢＴ）和Ｒ型（內(nèi)部封裝七個(gè)ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng)，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷絕緣。
１．２ ＩＰＭ內(nèi)部功能機(jī)制
ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內(nèi)置驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，隔離接口電路需用戶自己設(shè)計(jì)。
ＩＰＭ內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護(hù)能力。與普通的ＩＧＢＴ模塊相比，ＩＰＭ在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。
保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果ＩＰＭ模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作，ＩＧＢＴ柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（ＦＯ）。各種保護(hù)功能具體如下：
（１）控制電壓欠壓保護(hù)（ＵＶ）：ＩＰＭ使用單一的＋１５Ｖ供電，若供電電壓低于１２．５Ｖ,且時(shí)間超過ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。
（２）過溫保護(hù)（ＯＴ）：在靠近ＩＧＢＴ芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)ＩＰＭ溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過溫度值時(shí)，發(fā)生過溫保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。
（３）過流保護(hù)(ＯＣ)：若流過ＩＧＢＴ的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過ｔｏｆｆ，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)ＩＰＭ采用兩級(jí)關(guān)斷模式，過流保護(hù)和短路保護(hù)操作可參見圖３。其中，ＶＧ為內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)電壓，ＩＳＣ為短路電流值，ＩＯＣ為過流電流值，ＩＣ為集電極電流，ＩＦＯ為故障輸出電流。
（４）短路保護(hù)(ＳＣ)：若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過ＩＧＢＴ的電流值超過短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。跟過流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的di/dt，大多數(shù)ＩＰＭ采用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間，ＩＰＭ內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路（ＲＴＣ）,使響應(yīng)時(shí)間小于１００ｎｓ，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。
當(dāng)ＩＰＭ發(fā)生ＵＶ、ＯＣ、ＯＴ、ＳＣ中任一故障時(shí)，其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間ｔＦＯ為１．８ｍｓ（ＳＣ持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些），此時(shí)間內(nèi)ＩＰＭ會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷ＩＰＭ；故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，ＩＰＭ內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道開放。
可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果ｔＦＯ結(jié)束后故障源仍舊沒有排除，ＩＰＭ就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠ＩＰＭ內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行，需要輔助的外圍保護(hù)電路。
２ ＩＰＭ驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路是ＩＰＭ主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
２．１ ＩＧＢＴ的分立驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
ＩＧＢＴ的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題亦即ＭＯＳＦＥＴ的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問題,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①ＩＧＢＴ柵極耐壓一般在±２０Ｖ左右，因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù)，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Ｃｉｎ，從而影響開關(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅(qū)動(dòng)電流，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍。圖４為ＩＧＢＴ柵極保護(hù)原理圖，其中，ＲＧ、ＤＺ、Ｃｉｎ分別為等效柵極阻抗、穩(wěn)壓管和等效輸入電容。②盡管ＩＧＢＴ所需驅(qū)動(dòng)功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在輸
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