分析新型功率器件IPM(智能功率模塊)
IPM智能功率模塊是先進的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動以及保護電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實現(xiàn)高效的過流保護和短路保護。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護電路，因而系統(tǒng)的可靠性得到了進一步提高。
使用智能功率模塊可以使生產(chǎn)廠家降低在設(shè)計、開發(fā)和制造上的成本。與普通的IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進一步的提高。由于IPM集成了驅(qū)動和保護電路，使得用戶的產(chǎn)品設(shè)計變得相對容易，并能縮短開發(fā)周期；由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器減小，因而系統(tǒng)尺寸也減小；所有的IPM均采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)化與邏輯電平控制電路相聯(lián)的柵極控制接口，在產(chǎn)品系列擴充時無需另行設(shè)計電路。IPM在故障情況下的自保護能力，也減少了器件在開發(fā)和使用中過載情況下的損壞機會。
IPM內(nèi)置的柵極驅(qū)動電路和保護電路可以對許多違反IGBT模塊安全工作區(qū)（SOA）的運行模式加以保護，智能功率模塊的開關(guān)安全工作區(qū)和短路安全工作區(qū)定義概述如下：
開關(guān)安全工作區(qū)
開關(guān)（關(guān)斷）安全工作區(qū)通常定義為在重復(fù)關(guān)斷運行時的****允許瞬時電壓和電流。對于IPM，內(nèi)置柵極驅(qū)動取消了因不正確的柵極驅(qū)動而造成的許多電壓和電流的危險組合，此外，****工作電流受過流保護電路的限制。根據(jù)這些限制條件，開關(guān)安全工作區(qū)可用圖1中的波形來定義，只要主電路直流母線電壓低于數(shù)據(jù)手冊中的Vcc(port)指標(biāo)，每個IPM功率單元的C-E間關(guān)斷瞬時電壓低于VCES指標(biāo)，Tj小于125℃，控制電源|穩(wěn)壓器電壓在13.5V和16.5V之間，IPM將會安全工作。波形中的IOC是IPM的過流故障不會動作的****允許電流。換句話說，它正好處在OC動作數(shù)值以下。該波形定義了硬關(guān)斷操作的最壞情況，當(dāng)電流高于OC動作數(shù)值時，IPM將關(guān)斷該電流。
IPM智能功率模塊的自保護功能
自保護特點
IPM有精良的內(nèi)置保護電路以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞的情況。內(nèi)置保護功能的框圖如圖3所示。如果IPM模塊其中有保護電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流并輸出一個故障信號（FO）。
控制電源欠壓鎖定
內(nèi)部控制電路由一個15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動作數(shù)值（UV），則該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個故障信號。如果小毛刺干擾時間小于規(guī)定的tdUV，則不影響控制電路工作，欠壓保護電路也將不工作。
保護后，要恢復(fù)正常工作，電源電壓必須超過欠壓復(fù)位數(shù)值（UVr）。欠壓保護電路在控制電源上電和掉電期間都要保持工作。
過熱保護
在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝溫度傳感器。如果基板溫度超出過熱動作數(shù)值（OT），IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動，不影響控制輸入信號，直到溫度恢復(fù)正常，從而保護了功率器件。當(dāng)溫度回落至過熱復(fù)位數(shù)值（OTr）以下，并且控制輸入為高電平（關(guān)斷狀態(tài)），功率器件將接收下一個低電平（開通狀態(tài)）輸入信號并恢復(fù)正常工作。
過流保護
如果流過IGBT的電流超出過流動作數(shù)值（OC）的時間大于toff(OC)，IGBT將被關(guān)斷。
超過OC數(shù)值但時間小于toff(OC)的電流短脈沖并不危險，過流保護電路將不予處理。當(dāng)檢測出過電流時，IGBT將被軟關(guān)斷，同時輸出一個故障信號。受控的軟關(guān)斷能控制關(guān)斷大電流而發(fā)生的浪涌電壓。
短路保護
如果負(fù)載發(fā)生短路而導(dǎo)致上下臂同時導(dǎo)通，IPM內(nèi)置短路保護電路將關(guān)斷IGBT。如果流經(jīng)IGBT的電流超出短路保護動作數(shù)值（SC），軟關(guān)斷立即啟動并輸出一個故障信號。為縮短SC檢測與SC關(guān)斷之間的響應(yīng)時間，IPM采用了實時電流控制電路（RTC）。SC動作時，實時電流控制電路直接監(jiān)測IGBT驅(qū)動的末級電路，因此響應(yīng)時間可以減小到不足100ns。
IPM智能功率模塊的驅(qū)動電路設(shè)計
驅(qū)動電路的要求
一個低電平輸入信號將使IGBT開通。典型地，IPM的輸入腳被用一個連接到控制電源正側(cè)的電阻拉高，把控制輸入拉低則產(chǎn)生一個“開通”的信號。
