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(jìn)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(dòng)以及保護(hù)電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測(cè)功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片,從而可實(shí)現(xiàn)高效的過流保護(hù)和短路保護(hù)。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護(hù)電路,因而系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)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(jì)、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(jìn)一步的提高。由于IPM集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路,使得用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)變得相對(duì)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;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(kuò)充時(shí)無需另行設(shè)計(jì)電路。IPM在故障情況下的自保護(hù)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(jī)會(huì)。
IPM內(nèi)置的柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路可以對(duì)許多違反IGBT模塊安全工作區(qū)(SOA)的運(yùn)行模式加以保護(hù),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(yùn)行時(shí)的****允許瞬時(shí)電壓和電流。對(duì)于IPM,內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)取消了因不正確的柵極驅(qū)動(dòng)而造成的許多電壓和電流的危險(xiǎn)組合,此外,****工作電流受過流保護(hù)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(cè)中的Vcc(port)指標(biāo),每個(gè)IPM功率單元的C-E間關(guān)斷瞬時(shí)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(huì)安全工作。波形中的IOC是IPM的過流故障不會(huì)動(dòng)作的****允許電流。換句話說,它正好處在OC動(dòng)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(dòng)作數(shù)值時(shí),IPM將關(guān)斷該電流。
IPM智能功率模塊的自保護(hù)功能
自保護(hù)特點(diǎn)
IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)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(hù)功能的框圖如圖3所示。如果IPM模塊其中有保護(hù)電路動(dòng)作,IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO)。
控制電源欠壓鎖定
內(nèi)部控制電路由一個(gè)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(dòng)作數(shù)值(UV),則該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)。如果小毛刺干擾時(shí)間小于規(guī)定的tdUV,則不影響控制電路工作,欠壓保護(hù)電路也將不工作。
保護(hù)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(hù)電路在控制電源上電和掉電期間都要保持工作。
過熱保護(hù)
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(dòng)作數(shù)值(OT),IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動(dòng),不影響控制輸入信號(hào),直到溫度恢復(fù)正常,從而保護(hù)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(gè)低電平(開通狀態(tài))輸入信號(hào)并恢復(fù)正常工作。
過流保護(hù)
如果流過IGBT的電流超出過流動(dòng)作數(shù)值(OC)的時(shí)間大于toff(OC),IGBT將被關(guān)斷。
超過OC數(shù)值但時(shí)間小于toff(OC)的電流短脈沖并不危險(xiǎn),過流保護(hù)電路將不予處理。當(dāng)檢測(cè)出過電流時(shí),IGBT將被軟關(guān)斷,同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào)。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(hù)
如果負(fù)載發(fā)生短路而導(dǎo)致上下臂同時(shí)導(dǎo)通,IPM內(nèi)置短路保護(hù)電路將關(guān)斷IGBT。如果流經(jīng)IGBT的電流超出短路保護(hù)動(dòng)作數(shù)值(SC),軟關(guān)斷立即啟動(dòng)并輸出一個(gè)故障信號(hào)。為縮短SC檢測(cè)與SC關(guān)斷之間的響應(yīng)時(shí)間,IPM采用了實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)。SC動(dòng)作時(shí),實(shí)時(shí)電流控制電路直接監(jiān)測(cè)IGBT驅(qū)動(dòng)的末級(jí)電路,因此響應(yīng)時(shí)間可以減小到不足100ns。
IPM智能功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路的要求
一個(gè)低電平輸入信號(hào)將使IGBT開通。典型地,IPM的輸入腳被用一個(gè)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(gè)“開通”的信號(hào)。