一般理論：每根發熱電纜需配備(bei)一個(ge)(ge)獨立的(de)(de)溫控(kong)(kong)器(qi)(qi)控(kong)(kong)制，當單位面積很(hen)大，一個(ge)(ge)房間(jian)內需要(yao)用到好幾根發(fa)熱電纜時，溫控(kong)(kong)器(qi)(qi)的(de)(de)數量也增加了(le)。隨(sui)之成(cheng)本(ben)增加。一般(ban)的(de)(de)解決方法是(shi)(shi)(shi)配備(bei)一個(ge)(ge)溫控(kong)(kong)箱，而(er)這些配置。是(shi)(shi)(shi)一般(ban)家(jia)庭都(dou)不會去(qu)考(kao)慮的(de)(de)。這個(ge)(ge)時候就(jiu)需要(yao)用到功率擴展模(mo)塊，可實(shi)現(xian)多根發(fa)熱電纜一個(ge)(ge)溫控(kong)(kong)器(qi)(qi)控(kong)(kong)制。那么小(xiao)小(xiao)的(de)(de)模(mo)塊到底是(shi)(shi)(shi)怎么實(shi)現(xian)的(de)(de)呢？原理是(shi)(shi)(shi)什(shen)么呢？下(xia)(xia)面為大家(jia)介紹下(xia)(xia)：

    智能功率模塊(IPM)是(shi)Intelligent Power Module的縮(suo)寫(xie),是一種先進的功(gong)率開關器件,具(ju)有GTR(大功率晶體管)高(gao)電流(liu)密度、低(di)飽和電壓和耐高(gao)壓的(de)優點,以(yi)及MOSFET(場效(xiao)應晶體管)高(gao)輸入(ru)阻抗(kang)、高(gao)開關(guan)頻率和低驅動功率的優(you)點.而(er)且IPM內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路,使用起來方便,不僅減小了(le)系(xi)統(tong)的體(ti)(ti)積以及(ji)開發(fa)時間,也大大增(zeng)強了系統的(de)可靠性(xing),適(shi)應了(le)當今功率器件(jian)的發(fa)展方向——模塊化(hua)、復(fu)合(he)化(hua)和功率集成電路(PIC),在電力電子領域得到了越來越廣泛(fan)的應用.本文以三菱(ling)公(gong)司PM100DSA120為例(li),介紹(shao)IPM的基本特性,然后著重介紹IPM的驅動和保護電(dian)路的設(she)計.
　　1 IPM的基本工(gong)作特性(xing)
　　1．1 IPM的結構
　　IPM由高速、低(di)功率的IGBT芯片和優選(xuan)的(de)門級驅動及(ji)保護電路構成,如圖(tu)1所示(shi).其(qi)中,IGBT是GTR和MOSFET的復合,由MOSFET驅動GTR,因而IGBT具有兩者(zhe)的優點.
　　IPM根據內部功(gong)率電路配(pei)置的不同(tong)可分為四類:H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝(zhuang)兩(liang)個IGBT)、C型(內(nei)部封裝(zhuang)六(liu)個IGBT)和(he)R型(xing)(內部封裝七個(ge)IGBT).小功率(lv)的IPM使用多層(ceng)環氧絕緣系統(tong),中(zhong)大功率(lv)的IPM使用陶瓷絕緣.
　　1．2 IPM內(nei)部(bu)功能機制
　　IPM內(nei)置的驅動和保護電路(lu)使系統硬件電路(lu)簡單、可靠,縮短了系統開發時間,也(ye)提高(gao)了故障下的(de)自保護能力.與普通(tong)的IGBT模塊(kuai)相比,IPM在(zai)系統性(xing)能及可靠(kao)性(xing)方(fang)面(mian)都有進一步的提高.
　　保(bao)(bao)(bao)護(hu)電(dian)路可以實現控制(zhi)電(dian)壓欠壓保(bao)(bao)(bao)護(hu)、過(guo)熱保(bao)(bao)(bao)護(hu)、過(guo)流保(bao)(bao)(bao)護(hu)和短路保(bao)(bao)(bao)護(hu).如果IPM模(mo)塊中有一種保護(hu)電(dian)路動作(zuo),IGBT柵極驅動單元就會關斷門極電(dian)流并輸出一個故障信號(FO).各種保護功能具體如下:
　　(1)控(kong)制(zhi)電(dian)壓(ya)欠壓(ya)保護(UV):IPM使用單一的(de)+15V供電(dian),若供電電壓低于12．5V,且時間超過toff＝10ms,發生(sheng)欠(qian)壓保護,封鎖門極驅動電路,輸出故障信號(hao).
　　(2)過溫(wen)保護(OT):在靠近IGBT芯片的(de)絕緣(yuan)基(ji)板上安裝了一個溫度傳感器,當IPM溫(wen)度傳感器測(ce)出其(qi)基板的溫(wen)度超過溫(wen)度值(zhi)時,發生(sheng)過溫保護(hu),封(feng)鎖門極驅動電路,輸出故障(zhang)信號.
　　(3)過流保護(OC):若流過IGBT的電流值超(chao)過過流動(dong)作電流,且(qie)時間超(chao)過(guo)toff,則發(fa)生過(guo)流保(bao)護(hu),封鎖門極驅動電路,輸出故(gu)障信(xin)號.為避免發生過大的di/dt,大多數IPM采(cai)用(yong)兩級關(guan)斷模式.
　　3.其中,VG為內部門(men)極驅(qu)動(dong)電壓(ya),ISC為短路電流(liu)值,IOC為過流(liu)電(dian)流(liu)值(zhi),IC為集電極電流,IFO為故障輸出(chu)電流.
　　(4)短路保護(SC):若負載發生短路或控制系統故(gu)障導致短路,流過IGBT的電流值(zhi)超(chao)過(guo)短路動作電流,則立刻(ke)發生短路保護,封鎖門極驅動電路,輸出故障(zhang)信號.跟過流(liu)保護(hu)一樣,為避免發生過大的di/dt,大多(duo)數IPM采用兩級(ji)關斷模式.為縮短過(guo)流(liu)(liu)保護的(de)電流(liu)(liu)檢測和(he)故(gu)障動作間的(de)響應時間,IPM內部使(shi)用(yong)實時(shi)電(dian)流控制電(dian)路(RTC),使響應(ying)時間小于(yu)100ns,從(cong)而有效(xiao)抑制了電流和(he)功率峰值,提高了保護效果(guo).
　　當IPM發生UV、OC、OT、SC中任(ren)一故(gu)障時(shi),其故障輸出(chu)信(xin)號持續時間tFO為1．8ms(SC持(chi)續(xu)時(shi)間會長一些(xie)),此時間內(nei)IPM會封鎖門(men)極(ji)驅動,關(guan)斷IPM;故(gu)障輸出(chu)信號持續時間(jian)結束后,IPM內部自動復位(wei),門極驅動通道開放.
　　可以看(kan)出,器件(jian)自(zi)身產(chan)生的故障信號是(shi)非保持性的,如果tFO結束后故障源仍舊沒有排除,IPM就會重復自動保護的過程,反(fan)復(fu)動作.過(guo)流、短路、過(guo)熱保護動作都是(shi)非常惡(e)劣的(de)運行狀(zhuang)況,應避免其反復動作,因此僅靠IPM內部(bu)保護(hu)電路還不(bu)能完全實現器件(jian)的自我保護(hu).要使(shi)系統真正安全、可靠(kao)運行,需要輔助的外圍保護電路. 2 IPM驅動電(dian)路的設(she)計(ji)
　　驅動(dong)電路是IPM主電(dian)路和控制電(dian)路之間的(de)接(jie)口,良好的驅(qu)動(dong)電路設計(ji)對裝置的運行(xing)效率、可靠性和安全性都(dou)有重(zhong)要意義(yi).
　　2．1 IGBT的分立驅動電路的設計
　　IGBT的驅動設計問題亦即(ji)MOSFET的驅動設計(ji)問題,設(she)計(ji)時應注意以下幾點(dian):①IGBT柵(zha)極(ji)耐壓一般在±20V左右,因此驅動電路(lu)輸出端要給(gei)柵極加電壓保護,通常(chang)的(de)做法是(shi)在柵極(ji)并聯穩壓二極(ji)管或(huo)者電阻(zu).前(qian)者的缺陷是將增加等效(xiao)輸(shu)入電容Cin,從而影響開關速度,后者(zhe)的缺陷是(shi)將減(jian)小輸入阻抗,增(zeng)大驅(qu)動電流(liu),使用時(shi)應根據需(xu)要(yao)取(qu)舍(she).②盡(jin)管IGBT所需驅(qu)動功(gong)率很(hen)小,但由于(yu)MOSFET存在輸(shu)入電容Cin,開關過(guo)程中需要對電(dian)容充放電(dian),因此(ci)驅動電路的輸出電流應(ying)足夠大,這一點設計者往往忽略.假(jia)定開通驅動時,在(zai)上(shang)升(sheng)時間(jian)tr內線性地(di)對MOSFET輸入電容Cin充電,則驅(qu)動電流(liu)為Igt＝CinUgs/tr,其中可取tr＝2.2RCin,R為輸入(ru)回路電阻(zu).③為可靠關閉IGBT, 防(fang)止(zhi)擎住現(xian)象, 要(yao)給柵極加(jia)一負偏壓,因(yin)此最好采(cai)用雙電源供電.
　　2．2 IGBT集成式驅(qu)動電路
　　IGBT的分(fen)立(li)式驅動電路中分(fen)立(li)元件多(duo),結構復雜,保護功能比較完善的(de)分(fen)立電路就更加(jia)復雜,可靠性(xing)和性(xing)能都比較(jiao)差(cha),因(yin)此實際應(ying)用(yong)中大多(duo)數采用(yong)集成式(shi)驅動(dong)電路.日本富士公司的EXB系列集成(cheng)電(dian)路、法國湯姆森(sen)公司的UA4002集(ji)成電路(lu)等應用(yong)都很廣泛.
　　2．3 IPM驅動電(dian)路設計
　　現以PM100DSA120為例進行介紹(shao).PM100DSA120是一種D型的IPM,內部封裝了兩個IGBT,工(gong)作在1200V/100A以(yi)下,功率(lv)器件的開關(guan)頻率(lv)最大為(wei)20kHz.由于(yu)IPM內置(zhi)了驅動電路,與IGBT驅動電路設計(ji)相比,外圍驅動電路的設計比較(jiao)方便,只要能提供15V直流電壓即可.
　　但是IPM對驅動電路輸出電壓的要求很嚴(yan)格?熏具體(ti)為(wei):①驅(qu)動電(dian)壓范(fan)圍為(wei)15V±10%?熏電壓低于13．5V將發(fa)生欠壓保護,電壓高(gao)于16．5V將可能損(sun)壞內(nei)部部件.②驅動(dong)電(dian)壓(ya)相互隔離,以避(bi)免地(di)線噪聲干擾.③驅動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓(ya)值的(de)兩倍(2Vces).④驅動電(dian)流可以參閱(yue)器件給(gei)出(chu)的(de)20kHz驅(qu)動電流要求(qiu),根據(ju)實(shi)際的開關頻(pin)率加以修正.⑤驅動電路輸出端濾(lv)波電容不(bu)能(neng)太大,這是因為當(dang)寄生(sheng)電容超過(guo)100pF時,噪(zao)聲干擾將可(ke)能誤觸發內部(bu)驅動電路.