IPM在电力机车大功率开关电源中的应用研究

摘要：智能功率模块IPM在电力电子领域的应用越来越广泛。在此详细描述了IPM的结构和外型，着重阐明了IPM中的自我保护机制，以便于蝙程实现。同时，结合大电流电感在研项目“电力机车模块化分布式大功率开关直流稳压电源”的设计与开发，分析了IPM作为大功率高频逆变器应用时的相关注意事项，给出了具体设计的电路图和选型资料。通过实际现场调试，现场保护灵敏度高，运行稳定可靠。
关键词：IPM；保护机制；IGBT；逆变器

随着电子技术的发展，功率半导体技术已经成为现代电力电子技术的核心。以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的功率器件，在众多工业控制领域得到越来越广泛的应用。IGBT作为一种典型的双极性MOS复合型功率器件，集MOSFET与GTR(大功率晶体管)的优点于一身，既具有输入阻抗高，开关速度快，热稳定性好和驱动电路简单的长处，又具有通态电压低，耐压高和承受电流大的优点。IPM(intelligent power
module)作为一种智能功率模块，它以IGBT为基础，内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上均有很塑封电感大的提高，同时由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故整个系统的体积减小了很多，适应了功率器件的发展方向，从而应用领域越来越广。

1 IPM的基本结构
1．1 IPM结构形式
IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和优先的门级驱动及保护电路构成，如图1所示。根据内部功率电路配置的不同，IPM分为H型、D型、C型和R型4种。图中，H型内部封装1个IGBT，D型内部封装2个IGBT，C型内部封装6个IGBT，R型内部封装7个IGBT。


1．2 IPM的内部机制
IPM内部设有栅极驱动控制电路、故障检测电路和各种保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片，用以监测IGBT的主电流。而内部故障保护电路主要用以检测过流、过热和欠压等故障。图2为IPM功能框图。



2 IPM保护功能
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统的开发周期，也提高了系统在故障情况下的自我保护能力。与普通的IGBT模块相比，由于增加了保护电路，因而IPM在系统性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保护功能包括控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中的一种保护电路产生动作，其内部的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)。
(1)控制电压欠压保护(UV)：磁心电感器IPM使用单一的15 V供电，若供电电压低于12．5 V，且时间超过toff=10 ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。如图3所示。


(2)过热保护(0T)：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，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。
(3)过流保护(0C)：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Fo。为避免发生过大的电流变化率di／dt，大多数的IPM采用两级关断模式。如图4所示。


(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，为避免发生过大的电流变化率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问的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)，使响应时间小于100 ns，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中任一种故障时，IPM将立即输出故障信号Fo，该故障信号持续时间tFo为1．8 ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM。当故障输出信号持续时间结束后，IPM内部会自动复位，门极驱动通道重新开放。
IPM器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果在tFo结束后故障源仍然没有被排除，则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，设计时应避免其反复动作，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。为了使系统真正安全、可靠地运行，通电感生产厂家常需要设计辅助的外围保护电路。同时，IPM对欠压、过流、短路和过热等故障发生时，均输出同一个故障信号Fo因而主控系统无法判断故障产生的具体原因，还需要更进一步的故障诊断技术。

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