IPM在電力機車大功率開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

摘要：智能功率模塊IPM在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。在此詳細(xì)描述了IPM的結(jié)構(gòu)和外型，著重闡明了IPM中的自我保護(hù)機制，以便于蝙程實現(xiàn)。同時，結(jié)合在研項目“電力機車模塊化分布式大功率開關(guān)直流穩(wěn)壓電源”的設(shè)計與開發(fā)，分析了IPM作為大功率高頻逆變器應(yīng)用時的相關(guān)注意事項，給出了具體設(shè)計的電路圖和選型資料。通過實際現(xiàn)場調(diào)試，現(xiàn)場保護(hù)靈敏度高，運行穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：IPM；保護(hù)機制；IGBT；逆變器

    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心。以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的功率器件，在眾多工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。IGBT作為一種典型的雙極性MOS復(fù)合型功率器件，集MOSFET與GTR(大功率晶體管)的優(yōu)點于一身，既具有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的長處，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點。IPM(intelligent power
module)作為一種智能功率模塊，它以IGBT為基礎(chǔ)，內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路，與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上均有很大的提高，同時由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個系統(tǒng)的體積減小了很多，適應(yīng)了功率器件的發(fā)展方向，從而應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。

1 IPM的基本結(jié)構(gòu)
1．1 IPM結(jié)構(gòu)形式
    IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和優(yōu)先的門級驅(qū)動及保護(hù)電路構(gòu)成，如圖1所示。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同，IPM分為H型、D型、C型和R型4種。圖中，H型內(nèi)部封裝1個IGBT，D型內(nèi)部封裝2個IGBT，C型內(nèi)部封裝6個IGBT，R型內(nèi)部封裝7個IGBT。


1．2 IPM的內(nèi)部機制
    IPM內(nèi)部設(shè)有柵極驅(qū)動控制電路、故障檢測電路和各種保護(hù)電路，采用帶有電流傳感器的IGBT芯片，用以監(jiān)測IGBT的主電流。而內(nèi)部故障保護(hù)電路主要用以檢測過流、過熱和欠壓等故障。圖2為IPM功能框圖。

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2 IPM保護(hù)功能
    IPM內(nèi)置的驅(qū)動和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，也提高了系統(tǒng)在故障情況下的自我保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護(hù)電路，因而IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有很大的提高。
    IPM的保護(hù)功能包括控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中的一種保護(hù)電路產(chǎn)生動作，其內(nèi)部的IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個故障信號(Fo)。
    (1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12．5 V，且時間超過toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。如圖3所示。


    (2)過熱保護(hù)(0T)：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當(dāng)IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發(fā)生過熱保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。
    (3)過流保護(hù)(0C)：若流過IGBT的電流值超過過流動作電流，且時間超過toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號Fo。為避免發(fā)生過大的電流變化率di／dt，大多數(shù)的IPM采用兩級關(guān)斷模式。如圖4所示。


    (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作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動電路，輸出故障信號。跟過流保護(hù)一樣，為避免發(fā)生過大的電流變化率di／dt，大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測和故障動作問的響應(yīng)時間，IPM內(nèi)部使用實時電流控制電路(RTC)，使響應(yīng)時間小于100 ns，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中任一種故障時，IPM將立即輸出故障信號Fo，該故障信號持續(xù)時間tFo為1．8 ms(SC持續(xù)時間會長一些)，此時間內(nèi)IPM會封鎖門極驅(qū)動，關(guān)斷IPM。當(dāng)故障輸出信號持續(xù)時間結(jié)束后，IPM內(nèi)部會自動復(fù)位，門極驅(qū)動通道重新開放。
    IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果在tFo結(jié)束后故障源仍然沒有被排除，則IPM就會重復(fù)自動保護(hù)的過程，反復(fù)動作。過流、短路、過熱保護(hù)動作都是非常惡劣的運行狀況，設(shè)計時應(yīng)避免其反復(fù)動作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護(hù)。為了使系統(tǒng)真正安全、可靠地運行，通常需要設(shè)計輔助的外圍保護(hù)電路。同時，IPM對欠壓、過流、短路和過熱等故障發(fā)生時，均輸出同一個故障信號Fo因而主控系統(tǒng)無法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進(jìn)一步的故障診斷技術(shù)。

3 IPM在電力機車模塊化分布式大功率開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用
    電力機車中的110 V穩(wěn)壓電源是為機車上的各種控制器件以及儀表照明和信號顯示屏等相關(guān)設(shè)備提供動力，因而對整個電力機車來講至關(guān)重要。電力機車110 V穩(wěn)壓電源的輸出功率大，對穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。為了滿足系統(tǒng)要求，采用了分布式結(jié)構(gòu)，利用多個逆變模塊，通過負(fù)荷分擔(dān)的方式來組成大功率系統(tǒng)。同時，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來產(chǎn)生逆變器的控制信號，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可控制性。
    IPM在應(yīng)用時首先應(yīng)注意型號的選擇，不同型號的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時必須合理地預(yù)留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問應(yīng)涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅(qū)動電路中地線噪聲的影響，設(shè)計時應(yīng)注意將驅(qū)動電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開關(guān)同時打開，設(shè)計時應(yīng)注意采用死區(qū)控制方式。[!--empirenews.page--]
    筆者在“電力機車模塊化分布式110 V直流穩(wěn)壓電源”項目中選用了日本東芝的IPM模塊PM75CSA120作為逆變器主元件。M75CSAl20與主控制電路板采用光電耦合器件進(jìn)行隔離，在光電耦合器件的選型上，根據(jù)PM75CSAl20驅(qū)動的要求，對橋臂的驅(qū)動選用HCPL4504高速光電耦合器件，而在故障反饋回路，選用低速光電耦合器件PC817，這兩種光電耦合器件都具有很好的共模抑制特性，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。其電路如圖5所示。


    IPM逆變器控制信號由DSP控制單元產(chǎn)生，DSP選用了TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理芯片。功率驅(qū)動電路的輸入(即IPM的控制信號)由
TMS320F2812內(nèi)含的全比較單元相對應(yīng)的PWM0～PWM3產(chǎn)生。
    TMS320F2812的事件管理器模塊包含了兩個功率驅(qū)動保護(hù)中斷引腳(PDPINTx，x=A或B)，當(dāng)IPM過壓、過流、短路及溫度的急劇上升時，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)。因此功率驅(qū)動保護(hù)中斷引腳可用來監(jiān)測直流電源的異常情況，同時實現(xiàn)故障保護(hù)。
    在實際的電源調(diào)試過程中，盡管輸出的電流達(dá)到了20 A，但I(xiàn)PM工作仍然十分穩(wěn)定，通過人為設(shè)置故障，IPM保護(hù)電路反應(yīng)迅速，同時有效輸出故障信號，從保護(hù)了功率器件，提高了電源的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語
    IPM作為一種智能功率器件，以其損耗小，開關(guān)速度快，耐壓等級高，體積小，可靠性高等諸多優(yōu)點，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用。IPM在大功率逆變電源的應(yīng)用中，減小了電源的體積和重量，提高了轉(zhuǎn)換效率，保證了電源的穩(wěn)定可靠性能。