IPM电路规划及在单相逆变器中的运用
智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)以开关速度快、损耗小、功耗低、有多种维护功用、抗搅扰才能强、无须采纳防静电办法、体积小等长处在电力电子范畴得到越来越广泛的运用。以PM200DSA060型IPM为例。介绍IPM运用电路规划和在单相逆变器中的运用。
智能功率模块(IPM)的结构
IPM由高速、低功率IGWT、优选的门级驱动器及维护电路构成。其间，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IPM具有GTR高电流密度、低饱满电压、高耐压、MOSFET高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的长处。
依据内部功率电路装备状况，IPM有多种类型，如PM200DSA060型：IPM为D型(内部集成2个IGBT)，其内部功用框图如图1所示，内部结构如图2所示。内有驱动和维护电路，维护功用有操控电源欠压确定维护、过热维护、过流维护和短路维护，当其间任一种维护功用动作时。IPM将输出毛病信号FO。
IPM内部电路不含防止搅扰的信号阻隔电路、自维护功用和浪涌吸收电路。为了确保IPM安全牢靠。需求自己规划部分外围电路。
IPM的外部驱动电路是IPM内部电路和操控电路之间的接口，杰出的外部驱动电路对以IPM构成的体系的运转功率、牢靠性和安全性都有重要意义。
由IPM内部结构图可见，器材本身含有驱动电路。所以只需供给满意驱动功率要求的PWM信号、驱动电路电源和防止搅扰的电气阻隔设备即可。可是.IPM对驱动电路输出电压的要求很严厉：驱动电压规模为13.5V~16.5V，电压低于13.5V将发生欠压维护，电压高于16.5V或许损坏内部部件，驱动信号频率为5Hz-20kHz，且需选用电气阻隔设备。防止搅扰：驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的2倍(2Vces)，驱动电流达19mA一26mA，驱动电路输出端的滤波电容不能太大，这是因为当寄生电容超越100pF时。噪声搅扰将或许误触发内部驱动电路。
图3所示是一种典型的高牢靠性IPM外部驱动电路计划。来自操控电路的PWM信号经R1限流.再经高速光耦阻隔并扩大后接IPM内部驱动电路并操控开关管作业，FO信号也经过光耦阻隔输出。其间每个开关管的操控电源端选用独立阻隔的稳压。15V电源，且接1只10μF的退耦电容器(图中未画出)以滤去共模噪声。Rl依据操控电路的输出电流选取.如用DSP发生PWM，则R1的阻值可为330Ω。R2依据IPM驱动电流选值，一方面应尽或许小以防止高阻抗IPM拾取噪声。另一方面又要满足牢靠地操控IPM。可在2kΩ~6.8kΩ内选取。C1为2端与地间的O.1μF滤波电容器，PWM阻隔光耦的要求是tPLH10kV/μs，可选用HCPIA503型、HCPIA504型、PS204l型(NEC)等高速光耦，且在光耦输入端接1只O.1μ的退耦电容器(图中未画出)。FO输出光耦可用低速光耦(如PC817)。IPM的内部引脚功用如表1所示。
图3的外部接口电路直接固定在PCB上且接近模块输入脚，以削减噪声和搅扰，PCB上布线的间隔应适当，防止开关时搅扰引起的电位改动。
别的，考虑到强电或许形成外部驱动电路到IPM引线的搅扰，能够在引脚1~4间，3~4间，4~5间依据搅扰巨细加滤波电容器。
因为IPM本身供给的维护电路不具备自维护功用，所以要经过外围硬件或软件的辅佐电路将内部供给的：FO信号转换为封闭IPM的操控信号，关断IPM，完结维护。
1、硬件
IPM有毛病时，FO输出低电平，经过高速光耦抵达硬件电路，关断PWM输出，然后到达维护IPM的意图。详细硬件衔接方法如下：在PWM接口电路前置带操控端的3态收发器(如74HC245)。PWM信号经过3态收发器后送至IPM接口电路，IPM的毛病输出信号FO经光耦阻隔输出送入与非门。再送到3态收发器使能端OE。IPM正常作业时与非门输出为低电平。3态收发器选通，IPM有毛病时与非门输出为高电平。3态收发器一切输出置为高阻态。封闭各个IPM的操控信号，关断IPM，完结维护。
2、软件
IPM有毛病时FO输出低电平，FO信号经过高速光耦送到操控器进行处理。处理器承认后。运用中止或软件关断IPM的PWM操控信号，然后到达维护意图。如在依据DSP操控的体系中，运用事情管理器中功率驱动维护引脚(PDPINT)中止完结对IPM的维护。一般1个事情管理器严生的多路PWM可操控多个IPM作业.其间每个开关管均可输出FO信号，每个开关管的FO信号经过与门.当任一开关管有毛病时输出低电平，与门输出低电平。将该引脚连至PDPINT，因为PDPINT为低电平时DSP中止，一切的事情管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，然后到达维护意图。
以上2种计划均运用IPM毛病输出信号封闭IPM的操控信号通道，因而弥补了IPM本身维护的缺乏，有用地维护了器材。
智能功率模块(IPM)的缓冲电路规划
在IPM运用中，因为高频开关进程和功率回路寄生电感等叠加发生的di/dt、dv/dt和瞬时功耗会对器材发生较大的冲击，易损坏器材，因而需设置缓冲电路(即吸收电路)，意图是改动器材的开关轨道，操控各种瞬态过压，下降器材开关损耗，维护器材安全运转。
图4为常用的3种IPM缓冲电路。图4(a)为单只无感电容器构成的缓冲电路，对瞬变电压有用且成本低，适用于小功率IPM。图4(b)为RCD构成的缓冲电路，适用于较大功率IPM.缓冲二极管D可箝住瞬变电压，然后按捺因为母线寄生电感或许引起的寄生振动。其RC时刻常数应规划为开关周期的1/3，即r=T/3=1/3f。图4(c)为P型RCD和N型RCD构成的缓冲电路，适用于大功率IPM。功用类似于图4(b)所示的缓冲电路，其回路电感更小。若一起合作运用图4(a)所示的缓冲电路。还能减小缓冲二极管的应力，缓冲作用更好。
在图4(c)中，当IGBT关断时，负载电流经缓冲二极管向缓冲电容器充电，一起集电极电流逐步削减，因为电容器二端的电压不能骤变，所以有用地约束了IGBT集电极电压上升率dv/dt。也防止了集电极电压和集电极电流一起到达最大值。IGBT集电极母线电感、电路及其元件内部的杂散电感在IGBT注册时贮存的能量，这时贮存在缓冲电容器中。当IGBT注册时，集电极母线电感以及其他杂散电感又有用地约束了IGBT集电极电流上升率di/dt.相同也防止了集电极电压和集电极电流一起到达最大值。此刻，缓冲电容器经过外接电阻器和IGBT开关放电，其贮存的开关能量也随之在外接电阻器和电路、元件内部的电阻器上耗散。如此，便将IGBT运转时发生的开关损耗转移到缓冲电路，最终在相关电阻器上以热的方式耗散，然后维护IGBT安全运转。
图4(c)中的电阻值和电容值按经历数据选取：如PM200DSA060的电容值为0.221xF~0.47xF，耐压值是IGBT的1.1倍~1.5倍，电阻值为10?—20，电阻功率按P=fCU2xlO-6核算，其间f为IGBT作业频率，u为IGBT的作业峰值电压。C为缓冲电路与电阻器串联电容。二极管选用快康复二极管。为了确保缓冲电路的牢靠性，能够依据功率巨细挑选封装好的图4所示的缓冲电路。
别的，因为母线电感、缓冲电路及其元件内部的杂散电感对IPM尤其是大功率IPM有极大的影响，因而愈小愈好。要减小这些电感需从多方面人手：直流母线要尽量地短，缓冲电路要尽或许地接近模块，选用低电感的聚丙烯无极电容器、与IPM相匹配的快速缓冲二极管及无感泄放电阻器。
智能功率模块(IPM)在单相全桥逆变器中的运用
图5所示的单相全桥逆变电路主要由逆变电路和操控电路组成。逆变电路包含逆变全桥和滤波电路，其间逆变全桥完结直流到沟通的改换.滤波电路滤除谐波成分以取得需求的沟通电，操控电路完结对逆变桥中开关管的操控并完结部分维护功用。
图中的逆变全桥由4个开关管和4个续流二极管组成，作业时开关管在高频条件下通断.开关瞬间开关管电压和电流变大，损耗大，结温升高，加上功率回路寄生电感、振动及噪声等。极易导致开关管瞬间损坏，以往常用分立元件规划开关管的维护电路和驱动电路，导致电路巨大且不牢靠。
本文选用一对PM200DSA060双单元IPM模块别离替代图中Vl、D1、V2、D2组合和V3、D3、v4、D4组合构满足桥逆变电路，运用DSP对IPM的操控，完结了中频率20kW、230V逆变器的规划和调试，选用了如上所述的驱动电路、图4(c)中的缓冲电路和依据DSP操控的软件IPM维护电路。规划实践标明：运用IPM可简化体系硬件电路、缩短体系开发时刻、进步牢靠性、缩小体积，进步维护才能。
