新型智能功率模块(ASIPM)的功能及应用

2014-12-02大连光洋科技工程有限公司辽宁116600丁云飞

金属加工(冷加工) 2014年4期

大连光洋科技工程有限公司 (辽宁 116600)丁云飞

大连市节能监察支队 (辽宁 116013)徐慧勇

智能化的发展是系统智能集成(SIPM)，即将电源电路、各种保护以及PWM 控制电路等集成在一个芯片上，制成一个完整的功率变换器IC。集成电力电子模块(IPEM)是将驱动、自动保护、自诊断功能的IC 与电力电子器件集成在一个模块中，由于不同的元器件、电路、集成电路的封装或相互连接产生的寄生参数已成为决定电力电子系统性能的关键，所以采用IPEM 方法可减少设计工作量，便于生产自动化，提高系统质量、可靠性和可维护性，缩短设计周期，降低产品成本。为此，新型智能功率模块IPM (Intelligent Power Module)应运而生。三菱智能功率模块IPM (Intelligent Power Modules)是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT 芯片和优选的门极驱动及保护电路构成。与其他功率模块相比，选用三菱智能功率模块，可以使系统硬件电路简单，减小系统尺寸，提高可靠性与稳定性，并可以缩短系统的开发时间。

采用日本三菱公司研制的第四代智能功率模块——用户专用功率模块 (ASIPM)PS11035 系统使硬件电路简单，可减小交流伺服驱动器尺寸，提高可靠性与稳定性，并可以缩短系统的开发时间。与第三代IPM 相比，该功率模块还具有更低的饱和压降、更丰富的功能和更小的体积。额定电压为600V，额定电流为15～75A，特别适用于交流伺服系统。输入绝缘接口电路可采用快速光耦，从而可以提高系统的性能。内置二极管也采用第三代芯片，改善了反向恢复特性，也就是说，在抑制电磁干扰时，可采用较少的恢复电荷和较软的恢复特性。

1.用户专用功率模块(ASIPM)

(1)ASIPM 主要特性交流伺服系统中对驱动器的可靠性与稳定性要求较高。这样，需要对饱和压降、开关速度以及安全运行区这三个主要特性之间的关系加以调整，ASIPM 就具有这些技术特性。ASIPM 比较适用于直流输入/三相输出、功率在0.75～5.0kW 范围内的电动机控制系统。

ASIPM 内部设有门极驱动控制电路、故障检测和各种保护电路，采用带有电流传感器的IGBT 芯片。这样，第三代IGBT 芯片带有许多起电流传感器作用的小单元。这些小单元的信号反馈到一个比较器上，以监测IGBT 的主电流。内部的故障保护电路则用来检测过流、过热及欠压等故障。这些非正常运行状态出现时，IPM 就会自动关断，同时通过驱动板的光学传感器向控制板发送一个故障信号，提高系统的可靠性。

ASIPM 的内部集成了三相整流桥，与其他的智能功率模块相比，安装与布线简单，减少伺服驱动器的体积与重量，提高了系统的集成度，降低了成本。ASIPM—PS11035 的整体功能框图如图1 所示。

图1 PS11035 的控制功能图

(2)IGBT 芯片特性及续流二极管(FWD)芯片ASIPM 中IGBT 芯片的Vce (sat)可降到1.5V，且具有如下特性:①饱和压降和开关速度之间的关系达到最优化。②具有足够的安全工作区，能很好地满足由控制IC 给出的保护范围。③采用电流传感器单元设计。

在供电系统中，续流二极管(FWD)的特性对开通损耗和浪涌电压影响很大，为了减少这种影响，要求续流二极管具有快而软的反向恢复特性。反向恢复电流由通态时p -n 结的少数载流子密度决定。但是恢复电荷和通态电压是相互制约的，协调两者之间的关系，可获得比较好的恢复恃性。ASIPM 的接口电路一般都采用快速光电耦合电路。

2.IPM 的保护功能

IPM 内置有驱动和保护电路过载时损坏功率芯片。它采用的故障检测和关断方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM 内置各种保护功能，其等效电路如图2 所示。只要有一个保护电路起作用，IGBT 的门极驱动电路就关闭，同时产生一个故障信号。

图2 输入及故障保护接口

(1)短路保护负载短路或系统控制器因相互干扰而发生直通现象时，IPM 内的短路保护电路就会关断IGBT。流过IGBT 的电流超过电流断开阈值(SC)时，就会立即开始关断，同时产生一个故障信号。

(2)过流保护如果IGBT 中的电流超过过流断开阈值(OC)，且持续时间大于toff (oc)时，IGBT就会关断，toff (oc)设置为10μs (典型值)。电流在OC 以上但持续时间小于toff (oc)时，过流保护电路不工作。IPM 是采用带电流传感器的IGBT 来检测器件的实际电流的。

(3)控制电源欠压锁定内部控制电路由15V直流电源供电。无论什么原因，只要该电源电压降到欠压断开阈值(UV)以下，IPM 就关断，同时会产生一个故障信号。小毛刺干扰电压的持续时间小于规定的延时时间tduv 时，控制电路不受影响，欠压锁定保护电路也不动作，该tduv 值约为10μs。为了恢复正常运行状态，电源电压必须超过欠压复位阈值(UVr)。控制电源上电和掉电期间，欠压锁定保护电路都有可能起作用，这属于正常现象，系统控制器程序所要考虑的只是所产生的故障输出信号的脉冲宽度(tFO)。

(4)过热保护靠近IGBT 芯片的绝缘基板上装有温度传感器，基板的温度超过过热断开阈值(OT)时，IPM 内的保护电路就会中止门极驱动，不响应控制输入信号，直到过热根源被排除。温度下降到过热复位阈值(OTr)以下，同时控制输入为高电平(断态)时，功率芯片将恢复工作，当下一个低电平输入信号(通态)来临时就恢复正常运行。