摘要：随着集成技术的高度发展，为了适应于MOSFET、IGBT驱动集成电路在电平转换、电机调速等功率驱动中的应用，美国IR公司推出了系列集成驱动电路。其IPM（智能功率模块）模块正是集成了IR21363集成驱动电路，同时也将逆变桥、自举电路和控制电路集成其中。具有体积小、集成度高、响应快、偏值电压高、驱动能力强、内设欠压封锁、成本低、易于调试等优点。基于此，本文主要对智能功率模块在变频电源中的应用进行分析探讨。
关键词：智能功率模块；变频电源；驱动电路
1、引言
变频技术是变频电源的核心技术，它不仅能降低噪声，还能提高制冷/热效果和舒适度。而使其拥有较高的可靠性和较低的功耗是由于在变频技术中采用了模块化的功率器件IPM智能功率模块。IPM不但能减少工作噪声，还可以提高系统的可靠性及控制效率。新一代的IPM还改进内部的寄生结构，在低正向压降、高开关速度和宽安全工作区方面进行优化设计，因此在空调和其它的家用电器中得到更广泛的应用。
2、IPM的结构及特点
2.1IPM的结构
IPM分6单元和7单元两种结构，IPM的结构框图如图1所示[3].其基本结构为IGBT单元组成的三相桥臂，内部共集成了7只IGBT和快速功率二极管，其中IGBT1～IGBT6构成三相逆变电桥，并且在6只主IGBT反并联了6只回馈二极管VD1～VD6，IGBT7作为开关管用来制动，VDW是它的续流二极管.内部还集成了7个驱动保护电路（图1中的驱动1～7）以及1个过热保护电路.驱动保护电路用以防止系统相互干扰以及过载时芯片的保护.IPM内部逆变电桥可以分为上、下桥臂，IGBT1、3、5为上桥臂，IGBT2、4、6、7和过热保护电路构成下桥臂，上桥臂一般只有短路、过流和欠压保护，下桥臂除了短路、过流、欠压保护，还具有过热保护.
图1IPM内部结构图
2.2IPM的特点
IPM智能功率模块主要由国外比较著名的三菱公司、富士公司、国际整流器公司、西门子公司等提供.其主要特点为：内部集成了功率芯片、检测电路及驱动电路，采用标准化的与逻辑电平兼容的栅控接口，使得与控制电路连接时电路简化，内部集成的功率芯片采用的是开关速度高、驱动电流小的IGBT器件，且自带电流传感器，可以高效地检测出过电流和短路电流，给功率芯片可靠的保护.IPM内部含有故障检测和多种保护电路，当发生故障时，及时关断功率器件并发出故障信号，对芯片实行双重保护，保证了运行的可靠性.
3、IPM在变频电源中的应用
3.1变频电源的结构
本文讨论的是能够调频、调压、智能控制与管理的变频电源，并具有较强的通用性，其系统结构基本可分为2个部分，即系统主电路和控制电路。
3.2变频电源系统主电路
变频电源系统主电路如图2所示，VD1～VD4为常规整流器，IPM作为逆变器，虚线框内为基于APFC（有功功率因数校正）技术的整流器。市电交流信号经过整流滤波器转变为直流信号，又经过APFC电路后变成稳定的直流电源，然后进入IPM的逆变系统。
图2变频电源系统主电路图
（1）IPM驱动隔离电路
IPM外部驱动电路是IPM内部电路和控制电路间的接口，由于IPM本身含有驱动电路，所以只要提供满足驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止干扰的电气隔离装置即可。但是，IPM对驱动电源的要求很严格，具体要求：①驱动电压范围为13.5～16.5V，电压低于13.5V时IPM将会误动作，甚至发生欠压保护；电压高于16.5V可能损坏内部部件。②驱动信号频率为5Hz～20kHz，且需采用电气隔离装置，防止干扰。③驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍（2Vces）。④驱动电路输出端的滤波电容不能太大，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。
（2）IPM外围保护电路
IPM外围保护电路可通过硬件的方式实现，也可通过软件的方式实现，本文采取的是硬件保护电路。IPM接口电路前置74HC245为带控制端的三态收发器。IPM的控制信号经过74HC245的输入、输出后送至IPM接口电路；各个IPM的故障输出信号经过光耦隔离输出后得到高电平FO，送入或门，或门输出经过RC低通滤波后，送入74HC245的使能端OE。IPM正常工作时，或门输出为低电平，74HC245选通；IPM故障报警时，或门输出为高电平，74HC245所有输出置为高阻，封锁各个IPM的控制信号，关断IPM，实现保护功能。
3.3变频电源系统控制电路
控制电路采用DSPTMS320LF2407（以下简称DSP）作为系统的控制核心，这样可采用最少的软、硬件实现灵活、准确的在线控制。通过键盘键入所要求的输出电压值、频率值，由SCI模块与DSP实现通信，得到IPM当前工作的基准电压信号，经过电压电流调节器获得实际的正弦调制信号，与DSP定时器产生的三角载波信号相交截，输出带有一定死区的驱动控制信号，经驱动单元进行隔离放大后送到IPM。DSP可以将当前时刻的输出电压、频率值送给单片机并在8位LED上显示出来。
4、IPM模块在变频领域的应用
图3为IPM模块在变频器领域的逆变桥电路示意图。系统采用的DSP芯片
TMS320LF2407为电动机控制的专用芯片，其内部集成了电机控制专用模块“事件管理器（EV）”，可通过增量式光电编码器接口测量电机的转速、转向和角位移，通过捕捉功能测量脉宽，能够产生频率为10kHz以上的三相六路互补的SPWM波形。它还包含两个功率驱动保护中断引脚（PDPINTAx，x-A或B），当IPM过压、过流、短路及温度的急剧上升时，只要PDPINTx的中断未被屏蔽，则该引脚将被拉低，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，实现了故障保护。TAD−和IAD−分别为采集的芯片内部温度和电流信号，该信号传送给DSP，当温度、电流、电压超过界限值的时候，DSP通过程序设计发出IPM使能信号IPMEN−会自动关断SPWM波形，保护IPM模块。DSP完成系统的自检、控制命令的接收与执行、速度和电流信号的采集、速度回路与电流回路的控制算法以及SVPWM信号产生等功能。C8（C7）、C10（C9）和C12（C11）为自举电容（钽电容和陶瓷电容）。IPM模块和DSP的结合，实现了电机控制的全数字化，使得系统的设计结构简单，实现方便，功能稳定。
图 3 IPM 模块在变频器上的逆变桥电路
4、结语
本文主要探讨了智能功率模块IPM的结构及特点，IPM智能功率模块在变频电源中的应用，详细介绍了该变频电源系统主电路、IPM智能功率模块的驱动隔离电路和外围保护电路。变频电源由于采用了功能强大的IPM智能功率模块，其可靠性不仅大大提高，而且体积缩小、成本降低，因此，智能功率模块在变频电源的生产和实践中得到大力发展及应用。
参考文献：
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[4]胡兴柳，基于DSP的SPWM变频电源数字控制[J].电源技术应用，2006，9（7）：5~8
论文作者:唐侃1,尚效周2,靳全3
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/2
标签：电路论文; 功率论文; 模块论文; 电源论文; 信号论文; 智能论文; 电压论文; 《电力设备》2018年第11期论文;