IPM在電力機車大功率開關電源中的應用
隨著電子技術的發(fā)展，功率半導體技術已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術的核心。以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表的功率器件，在眾多工業(yè)控制領域得到越來越廣泛的應用。IGBT作為一種典型的雙極性MOS復合型功率器件，集MOSFET與GTR(大功率晶體管)的優(yōu)點于一身，既具有輸入阻抗高，開關速度快，熱穩(wěn)定性好和驅動電路簡單的長處，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受電流大的優(yōu)點。IPM(intelligent power
module)作為一種智能功率模塊，它以IGBT為基礎，內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上均有很大的提高，同時由于IPM通態(tài)損耗和開關損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個系統(tǒng)的體積減小了很多，適應了功率器件的發(fā)展方向，從而應用領域越來越廣。
1 IPM的基本結構
1.1 IPM結構形式
IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和優(yōu)先的門級驅動及保護電路構成，如圖1所示。根據(jù)內部功率電路配置的不同，IPM分為H型、D型、C型和R型4種。圖中，H型內部封裝1個IGBT，D型內部封裝2個IGBT，C型內部封裝6個IGBT，R型內部封裝7個IGBT。
1.2 IPM的內部機制
IPM內部設有柵極驅動控制電路、故障檢測電路和各種保護電路，采用帶有電流傳感器的IGBT芯片，用以監(jiān)測IGBT的主電流。而內部故障保護電路主要用以檢測過流、過熱和欠壓等故障。圖2為IPM功能框圖。
2 IPM保護功能
IPM內置的驅動和保護電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，也提高了系統(tǒng)在故障情況下的自我保護能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護電路，因而IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有很大的提高。
IPM的保護功能包括控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護。如果IPM模塊中的一種保護電路產(chǎn)生動作，其內部的IGBT柵極驅動單元就會關斷門極電流并輸出一個故障信號(Fo)。
(1)控制電壓欠壓保護(UV)：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12.5 V，且時間超過toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號Fo。如圖3所示。
(2)過熱保護(0T)：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器，當IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發(fā)生過熱保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號Fo。
(3)過流保護(0C)：若流過IGBT的電流值超過過流動作電流，且時間超過toff，則發(fā)生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號Fo。為避免發(fā)生過大的電流變化率di/dt，大多數(shù)的IPM采用兩級關斷模式。如圖4所示。
(4)短路保護(SC)：若負載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導致短路，流過IGBT的電流值超過短路動作電流，則立刻發(fā)生短路保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發(fā)生過大的電流變化率di/dt，大多數(shù)IPM采用兩級關斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作問的響應時間，IPM內部使用實時電流控制電路(RTC)，使響應時間小于100 ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。
當IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一種故障時，IPM將立即輸出故障信號Fo，該故障信號持續(xù)時間tFo為1.8 ms(SC持續(xù)時間會長一些)，此時間內IPM會封鎖門極驅動，關斷IPM。當故障輸出信號持續(xù)時間結束后，IPM內部會自動復位，門極驅動通道重新開放。
IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的，如果在tFo結束后故障源仍然沒有被排除，則IPM就會重復自動保護的過程，反復動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，設計時應避免其反復動作，因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護。為了使系統(tǒng)真正安全、可靠地運行，通常需要設計輔助的外圍保護電路。同時，IPM對欠壓、過流、短路和過熱等故障發(fā)生時，均輸出同一個故障信號Fo因而主控系統(tǒng)無法判斷故障產(chǎn)生的具體原因，還需要更進一步的故障診斷技術。
3 IPM在電力機車模塊化分布式大功率開關直流穩(wěn)壓電源中的應用
電力機車中的110 V穩(wěn)壓電源是為機車上的各種控制器件以及儀表照明和信號顯示屏等相關設備提供動力，因而對整個電力機車來講至關重要。電力機車110 V穩(wěn)壓電源的輸出功率大，對穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。為了滿足系統(tǒng)要求，采用了分布式結構，利用多個逆變模塊，通過負荷分擔的方式來組成大功率系統(tǒng)。同時，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來產(chǎn)生逆變器的控制信號，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可控制性。
IPM在應用時首先應注意型號的選擇，不同型號的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過高(比如浪涌電壓)造成的IPM損壞，在選擇時必須合理地預留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問應涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅動電路中地線噪聲的影響，設計時應注意將驅動電壓相互隔離。為了防止IPM上下臂開關同時打開，設計時應注意采用死區(qū)控制方式。
筆者在“電力機車模塊化分布式110 V直流穩(wěn)壓電源”項目中選用了日本東芝的IPM模塊PM75CSA120作為逆變器主元件。M75CSAl20與主控制電路板采用光電耦合器件進行隔離，在光電耦合器件的選型上，根據(jù)PM75CSAl20驅動的要求，對橋臂的驅動選用HCPL4504高速光電耦合器件，而在故障反饋回路，選用低速光電耦合器件PC817，這兩種光電耦合器件都具有很好的共模抑制特性，適合本系統(tǒng)的應用環(huán)境。其電路如圖5所示。
IPM逆變器控制信號由DSP控制單元產(chǎn)生，DSP選用了TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號處理芯片。功率驅動電路的輸入(即IPM的控制信號)由
TMS320F2812內含的全比較單元相對應的PWM0～PWM3產(chǎn)生。
TMS320F2812的事件管理器模塊包含了兩個功率驅動保護中斷引腳(PDPINTx，x=A或B)，當IPM過壓、過流、短路及溫度的急劇上升時，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態(tài)。因此功率驅動保護中斷引腳可用來監(jiān)測直流電源的異常情況，同時實現(xiàn)故障保護。
在實際的電源調試過程中，盡管輸出的電流達到了20 A，但IPM工作仍然十分穩(wěn)定，通過人為設置故障，IPM保護電路反應迅速，同時有效輸出故障信號，從保護了功率器件，提高了電源的穩(wěn)定性。
4 結語
IPM作為一種智能功率器件，以其損耗小，開關速度快，耐壓等級高，體積小，可靠性高等諸多優(yōu)點，在電力電子技術領域已經(jīng)被越來越廣泛地應用。IPM在大功率逆變電源的應用中，減小了電源的體積和重量，提高了轉換效率，保證了電源的穩(wěn)定可靠性能。
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