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IPM驅動(dòng)和保護電路的研究
摘要：介紹了IPM的基本工作特性和常用IPM驅動(dòng)和保護電路的設計方法，并給出了一個(gè)驅動(dòng)和保護電路的設計實(shí)例。智能功率模塊（ＩＰＭ）是Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ的縮寫(xiě)，是一種先進(jìn)的功率開(kāi)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)效應晶體管）高輸入阻抗、
高開(kāi)關(guān)頻率和低驅動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)。而且ＩＰＭ內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用起來(lái)方便，不僅減小了系統的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間，也大大增強了系統的可靠性，適應了當今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復合化和功率集成電路（ＰＩＣ），在電力電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用。本文以三菱公司ＰＭ１００ＤＳＡ１２０為例，介紹ＩＰＭ的基本特性，然后著(zhù)重介紹ＩＰＭ的驅動(dòng)和保護電路的設計。
１ ＩＰＭ的基本工作特性
１．１ ＩＰＭ的結構
ＩＰＭ由高速、低功率的ＩＧＢＴ芯片和優(yōu)選的門(mén)級驅動(dòng)及保護電路構成，如圖１所示。其中，ＩＧＢＴ是ＧＴＲ和ＭＯＳＦＥＴ的復合，由ＭＯＳＦＥＴ驅動(dòng)ＧＴＲ，因而ＩＧＢＴ具有兩者的優(yōu)點(diǎn)。
ＩＰＭ根據內部功率電路配置的不同可分為四類(lèi)：Ｈ型（內部封裝一個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｄ型（內部封裝兩個(gè)ＩＧＢＴ）、Ｃ型（內部封裝六個(gè)ＩＧＢＴ）和Ｒ型（內部封裝七個(gè)ＩＧＢＴ）。小功率的ＩＰＭ使用多層環(huán)氧絕緣系統，中大功率的ＩＰＭ使用陶瓷絕緣。
１．２ ＩＰＭ內部功能機制
ＩＰＭ的功能框圖如圖２所示。ＩＰＭ內置驅動(dòng)和保護電路，隔離接口電路需用戶(hù)自己設計。
ＩＰＭ內置的驅動(dòng)和保護電路使系統硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的ＩＧＢＴ模塊相比，ＩＰＭ在系統性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高。
保護電路可以實(shí)現控制電壓欠壓保護、過(guò)熱保護、過(guò)流保護和短路保護。如果ＩＰＭ模塊中有一種保護電路動(dòng)作，ＩＧＢＴ柵極驅動(dòng)單元就會(huì )關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號（ＦＯ）。各種保護功能具體如下：
（１）控制電壓欠壓保護（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(guò)ｔｏｆｆ＝１０ｍｓ，發(fā)生欠壓保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。
（２）過(guò)溫保護（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ＩＰＭ溫度傳感器測出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí)，發(fā)生過(guò)溫保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。
（３）過(guò)流保護(ＯＣ)：若流過(guò)ＩＧＢＴ的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過(guò)ｔｏｆｆ，則發(fā)生過(guò)流保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關(guān)斷模式，過(guò)流保護和短路保護操作可參見(jiàn)圖３。其中，ＶＧ為內部門(mén)極驅動(dòng)電壓，ＩＳＣ為短路電流值，ＩＯＣ為過(guò)流電流值，ＩＣ為集電極電流，ＩＦＯ為故障輸出電流。
（４）短路保護(ＳＣ)：若負載發(fā)生短路或控制系統故障導致短路，流過(guò)ＩＧＢＴ的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門(mén)極驅動(dòng)電路，輸出故障信號。跟過(guò)流保護一樣，為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt，大多數ＩＰＭ采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過(guò)流保護的電流檢測和故障動(dòng)作間的響應時(shí)間，ＩＰＭ內部使用實(shí)時(shí)電流控制電路（ＲＴＣ）,使響應時(shí)間小于１００ｎｓ，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。
當ＩＰＭ發(fā)生ＵＶ、ＯＣ、ＯＴ、ＳＣ中任一故障時(shí)，其故障輸出信號持續時(shí)間ｔＦＯ為１．８ｍｓ（ＳＣ持續時(shí)間會(huì )長(cháng)一些），此時(shí)間內ＩＰＭ會(huì )封鎖門(mén)極驅動(dòng)，關(guān)斷ＩＰＭ；故障輸出信號持續時(shí)間結束后，ＩＰＭ內部自動(dòng)復位，門(mén)極驅動(dòng)通道開(kāi)放。
可以看出，器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果ｔＦＯ結束后故障源仍舊沒(méi)有排除，ＩＰＭ就會(huì )重復自動(dòng)保護的過(guò)程，反復動(dòng)作。過(guò)流、短路、過(guò)熱保護動(dòng)作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動(dòng)作，因此僅靠ＩＰＭ內部保護電路還不能完全實(shí)現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。
２ ＩＰＭ驅動(dòng)電路的設計
驅動(dòng)電路是ＩＰＭ主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動(dòng)電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
２．１ ＩＧＢＴ的分立驅動(dòng)電路的設計
ＩＧＢＴ的驅動(dòng)設計問(wèn)題亦即ＭＯＳＦＥＴ的驅動(dòng)設計問(wèn)題,設計時(shí)應注意以下幾點(diǎn)：①ＩＧＢＴ柵極耐壓一般在±２０Ｖ左右，因此驅動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極并聯(lián)穩壓二極管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Ｃｉｎ，從而影響開(kāi)關(guān)速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動(dòng)電流，使用時(shí)應根據需要取舍。圖４為ＩＧＢＴ柵極保護原理圖，其中，ＲＧ、ＤＺ、Ｃｉｎ分別為等效柵極阻抗、穩壓管和等效輸入電容。②盡管ＩＧＢＴ所需驅動(dòng)功率很小，但由于ＭＯＳＦＥＴ存在輸
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