IGBT-IPM智能模塊的電路設計及在SVG裝置中的應用

摘要：介紹了IGBT-IPM智能模塊的基本情況和功能特點(diǎn)，并對該智能功率模塊的相關(guān)電路設計方法和需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了深入地分析，最后結合SVG裝置，詳細說(shuō)明了該模塊的應用，并給出了系統硬件結構圖。

１　引言

電力系統中大功率電力電子裝置的開(kāi)關(guān)元件主要是晶閘管和ＧＴＯ。但是，隨著(zhù)近年來(lái)雙極功率晶體管及功率ＭＯＳＦＥＴ的問(wèn)世以及生產(chǎn)技術(shù)的成熟，這些開(kāi)關(guān)元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和ＧＴＯ，并朝著(zhù)節能、輕便、小型化的方向迅速發(fā)展。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ?Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）智能模塊正是其中的代表之一，它將ＩＧＢＴ單元、驅動(dòng)電路、保護電路等結合在一個(gè)模塊之中，利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實(shí)際應用系統的穩定性?同時(shí)可簡(jiǎn)化設計的難度?縮小裝置的體積。

圖1

２�。桑牵拢灾悄苣�塊的主要特點(diǎn)

與過(guò)去ＩＧＢＴ模塊和驅動(dòng)電路的組合電路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ內含驅動(dòng)電路且保護功能齊全，因而可極大地提高應用系統整機的可靠性。本文將要介紹的是富士電機最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特點(diǎn)和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)以外，還具有以下主要功能：

●內含驅動(dòng)電路。該模塊同時(shí)具有軟開(kāi)關(guān)特性，可控制ＩＧＢＴ開(kāi)關(guān)時(shí)的ｄＶ／ｄｔ和浪涌電壓；用單電源驅動(dòng)時(shí)，無(wú)需反向偏壓電源；并可防止誤導通。關(guān)斷時(shí)，ＩＧＢＴ柵極低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而誤導通；模塊中的每個(gè)ＩＧＢＴ的驅動(dòng)電路都設計了最佳的驅動(dòng)條件。

●內含各種保護電路。每個(gè)ＩＧＢＴ都具有過(guò)流保護（ＯＣ）、負載短路保護（ＳＣ）、控制電源欠壓保護（ＵＶ）和過(guò)熱保護（ＯＨ）等功能。

圖2

●內含報警輸出功能。當出現上述保護動(dòng)作時(shí)，可向控制ＩＰＭ的微機系統輸出報警信號。

●包含有制動(dòng)電路。內含制動(dòng)單元的ＩＰＭ模塊，用此單元可以抑制ＰＮ端子間的電壓升高。

圖１為該ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的內部結構圖，圖中的前置驅動(dòng)部分包括驅動(dòng)放大、短路保護、過(guò)流保護、欠壓閉鎖、管心過(guò)熱保護等功能電路。圖中，各個(gè)引腳和端子的標號列于表１。

表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標號

端子標號

內 容

P,N經(jīng)過(guò)整流變換平滑濾波后的主電源Vd的輸入端子。P： 端，N：-端B制動(dòng)輸出端子：再生制動(dòng)電阻電流的輸出端子。不用時(shí)，建議接到P或N上U，V，W模塊的3相輸出端子(1)GND U,(3)Vcc UU相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc U: 端；GNDU：-端(4)GND V,(6)Vcc VV相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc V: 端；GNDV：-端(7)GND W,(9)Vcc WW相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc W： 端；GNDW：-端（10）GND，（11）Vcc下臂公用控制電源Vcc輸入。Vcc： 端；GND：-端（2）U，（5）V，（8）W下臂U，V，W相控制信號輸入（13）X，（14）Y，（15）Z下臂X，Y，Z相控制信號輸入（12）DB，（16）ALMDB為下臂相控制信號輸入，ALM為保護電路動(dòng)作時(shí)的報警信號輸出

３�。桑牵拢灾悄苣�塊電路設計

ＩＧＢＴ智能模塊的電路設計主要分為主電源部分、光耦外圍控制部分、緩沖電路部分及散熱部分。下面分別對這四部分的設計方法和需要注意的問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

３．１ 主電源電路

富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊有很多不同的系列，每一系列的主電源電壓范圍各有不同，在設計時(shí)一定要考慮其應用場(chǎng)合的電壓范圍。６００Ｖ系列主電源電壓和制動(dòng)動(dòng)作電壓都應該在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列則要在８００Ｖ以下。開(kāi)關(guān)時(shí)的最大浪涌電壓：６００Ｖ系列應在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列應該在１０００Ｖ以下，根據上述各值的范圍，使用時(shí)應使浪涌電壓限定在規定的值內，且應在最靠近Ｐ、Ｎ端子處安裝緩沖器（如果一個(gè)整流電路上接有多個(gè)ＩＧＢＴ模塊，還需要在Ｐ、Ｎ主端子間加浪涌吸收器）。雖然在模塊內部已對外部的電壓噪聲采取了相應的措施，但是由于噪聲的種類(lèi)和強度不同，加之也不可能完全避免誤動(dòng)作或損壞等情況，因此需要對交流進(jìn)線(xiàn)加濾波器，并絕緣接地，同時(shí)應在每相的輸入信號與地（ＧＮＤ）間并聯(lián)１０００ｐＦ的吸收電容。

３．２ 光耦外圍控制部分

與主電源電路不同，外圍控制電路主要針對的是單片機控制系統的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統連接，因此，必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開(kāi)來(lái)，以保護單片機控制系統。同時(shí)，ＩＧＢＴ模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時(shí)的控制信號。所以，設計一個(gè)優(yōu)良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關(guān)鍵之一。根據ＩＧＢＴ的驅動(dòng)以及逆變電路的要求?１?，模塊內部的ＩＧＢＴ控制電源必須是上橋臂３組，下橋臂１組，總計４組獨立的１５Ｖ直流電源。圖２是一種推薦的光耦驅動(dòng)電路。

圖２中給出了幾種典型光耦驅動(dòng)電路，其中三極管與光耦并聯(lián)型電路對光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規格要求：

●ＣＭＨ＝ＣＭＬ＞１５ｋＶ／μｓ或１０ｋＶ／μｓ

●ＴＰＨＬ＝ＴＰＬＨ＜０．８ｍｓ

●ＣＴＲ＞１５％

推薦的光耦有：

ＨＣＰＬ－４５０５，ＨＣＰＬ－４５０６

ＴＬＰ７５９（ＩＧＭ），ＴＬＰ７５５等。

一般情況下，光耦要符合ＵＬ、ＶＤＥ等安全認證。同時(shí)最好使光耦和ＩＧＢＴ控制端子間的布線(xiàn)盡量短。由于初級和次級間常加有大的ｄｖ／ｄｔ，因此，初、次級布線(xiàn)不要太靠近以減小其間的耦合電容。在使用１５Ｖ的直

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