一般理论：每根尊龙在线登录-尊龙登录需配备一个独立的温控器控制，当单位面积很大，一个房间内需要用到好几根发热电缆时，温控器的数量也增加了。随之成本增加。一般的解决方法是配备一个温控箱，而这些配置。是一般家庭都不会去考虑的。这个时候就需要用到功率扩展模块，可实现多根发热电缆一个温控器控制。那么小小的模块到底是怎么实现的呢？原理是什么呢？下面为大家介绍下：
智能功率模块(ipm)是intelligent power module的缩写,是一种先进的功率开关器件,具有gtr(大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及mosfet(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点.而且ipm内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时间,也大大增强了系统的可靠性,适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(pic),在电力电子领域得到了越来越广泛的应用.本文以三菱公司pm100dsa120为例,介绍ipm的基本特性,然后着重介绍ipm的驱动和保护电路的设计.
1 ipm的基本工作特性
1．1 ipm的结构
ipm由高速、低功率的igbt芯片和优选的门级驱动及保护电路构成,如图1所示.其中,igbt是gtr和mosfet的复合,由mosfet驱动gtr,因而igbt具有两者的优点.
ipm根据内部功率电路配置的不同可分为四类:h型(内部封装一个igbt)、d型(内部封装两个igbt)、c型(内部封装六个igbt)和r型(内部封装七个igbt).小功率的ipm使用多层环氧绝缘系统,中大功率的ipm使用陶瓷绝缘.
1．2 ipm内部功能机制
ipm内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠,缩短了系统开发时间,也提高了故障下的自保护能力.与普通的igbt模块相比,ipm在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高.
保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护.如果ipm模块中有一种保护电路动作,igbt栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(fo).各种保护功能具体如下:
(1)控制电压欠压保护(uv):ipm使用单一的 15v供电,若供电电压低于12．5v,且时间超过toff＝10ms,发生欠压保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号.
(2)过温保护(ot):在靠近igbt芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器,当ipm温度传感器测出其基板的温度超过温度值时,发生过温保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号.
(3)过流保护(oc):若流过igbt的电流值超过过流动作电流,且时间超过toff,则发生过流保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号.为避免发生过大的di/dt,大多数ipm采用两级关断模式.
3.其中,vg为内部门极驱动电压,isc为短路电流值,ioc为过流电流值,ic为集电极电流,ifo为故障输出电流.
(4)短路保护(sc):若负载发生短路或控制系统故障导致短路,流过igbt的电流值超过短路动作电流,则立刻发生短路保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号.跟过流保护一样,为避免发生过大的di/dt,大多数ipm采用两级关断模式.为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间,ipm内部使用实时电流控制电路(rtc),使响应时间小于100ns,从而有效抑制了电流和功率峰值,提高了保护效果.
当ipm发生uv、oc、ot、sc中任一故障时,其故障输出信号持续时间tfo为1．8ms(sc持续时间会长一些),此时间内ipm会封锁门极驱动,关断ipm;故障输出信号持续时间结束后,ipm内部自动复位,门极驱动通道开放.
可以看出,器件自身产生的故障信号是非保持性的,如果tfo结束后故障源仍旧没有排除,ipm就会重复自动保护的过程,反复动作.过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况,应避免其反复动作,因此仅靠ipm内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护.要使系统真正安全、可靠运行,需要辅助的外围保护电路. 2 ipm驱动电路的设计
驱动电路是ipm主电路和控制电路之间的接口,良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义.
2．1 igbt的分立驱动电路的设计
igbt的驱动设计问题亦即mosfet的驱动设计问题,设计时应注意以下几点:①igbt栅极耐压一般在±20v左右,因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护,通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻.前者的缺陷是将增加等效输入电容cin,从而影响开关速度,后者的缺陷是将减小输入阻抗,增大驱动电流,使用时应根据需要取舍.②尽管igbt所需驱动功率很小,但由于mosfet存在输入电容cin,开关过程中需要对电容充放电,因此驱动电路的输出电流应足够大,这一点设计者往往忽略.假定开通驱动时,在上升时间tr内线性地对mosfet输入电容cin充电,则驱动电流为igt＝cinugs/tr,其中可取tr＝2.2rcin,r为输入回路电阻.③为可靠关闭igbt, 防止擎住现象, 要给栅极加一负偏压,因此最好采用双电源供电.
2．2 igbt集成式驱动电路
igbt的分立式驱动电路中分立元件多,结构复杂,保护功能比较完善的分立电路就更加复杂,可靠性和性能都比较差,因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路.日本富士公司的exb系列集成电路、法国汤姆森公司的ua4002集成电路等应用都很广泛.
2．3 ipm驱动电路设计
现以pm100dsa120为例进行介绍.pm100dsa120是一种d型的ipm,内部封装了两个igbt,工作在1200v/100a以下,功率器件的开关频率最大为20khz.由于ipm内置了驱动电路,与igbt驱动电路设计相比,外围驱动电路的设计比较方便,只要能提供15v直流电压即可.
但是ipm对驱动电路输出电压的要求很严格?熏具体为:①驱动电压范围为15v±10%?熏电压低于13．5v将发生欠压保护,电压高于16．5v将可能损坏内部部件.②驱动电压相互隔离,以避免地线噪声干扰.③驱动电源绝缘电压至少是ipm极间反向耐压值的两倍(2vces).④驱动电流可以参阅器件给出的20khz驱动电流要求,根据实际的开关频率加以修正.⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大,这是因为当寄生电容超过100pf时,噪声干扰将可能误触发内部驱动电路.
