基本介紹
- 中文名：智慧型功率模組
- 外文名：IPM
- 概念：一種先進的功率開關器件
- 全稱：Intelligent Power Module
IPM結構,內部功能機制,電路設計,
IPM結構
結構概念IPM根據內部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(內部封裝六個IGBT)和R型(內部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環氧絕緣系統，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。
內部功能機制
IPM內置的驅動和保護電路使系統硬體電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模組相比，IPM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。
(1)控制電壓欠壓保護(UV):IPM使用單一的+15V供電，若供電電壓低於12．5V，且時間超過toff=10ms，發生欠壓保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。
(2)過溫保護(OT):在靠近IGBT晶片的絕緣基板上安裝了一個溫度感測器，當IPM溫度感測器測出其基板的溫度超過溫度值時，發生過溫保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。
(3)過流保護(OC):若流過IGBT的電流值超過過流動作電流，且時間超過toff，則發生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。為避免發生過大的di/dt，大多數IPM採用兩級關斷模式。其中，VG為內部門極驅動電壓，ISC為短路電流值，IOC為過流電流值，IC為集電極電流，IFO為故障輸出電流。
(4)短路保護(SC):若負載發生短路或控制系統故障導致短路，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，為避免發生過大的di/dt，大多數IPM採用兩級關斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的回響時間，IPM內部使用實時電流控制電路(RTC)，使回響時間小於100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。
當IPM發生UV、OC、OT、SC中任一故障時，其故障輸出信號持續時間tFO為1．8ms(SC持續時間會長一些)，此時間內IPM會封鎖門極驅動，關斷IPM;故障輸出信號持續時間結束後，IPM內部自動復位，門極驅動通道開放。
可以看出，器件自身產生的故障信號是非保持性的，如果tFO結束後故障源仍舊沒有排除，IPM就會重複自動保護的過程，反覆動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反覆動作，因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。
電路設計
IGBT的分立驅動電路的設計
IGBT的驅動設計問題亦即MOSFET的驅動設計問題，設計時應注意以下幾點:①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅動電路輸出端要給柵極加電壓保護，通常的做法是在柵極並聯穩壓二極體或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin，從而影響開關速度，後者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根據需要取捨。②儘管IGBT所需驅動功率很小，但由於MOSFET存在輸入電容Cin，開關過程中需要對電容充放電，因此驅動電路的輸出電流應足夠大，這一點設計者往往忽略。假定開通驅動時，在上升時間tr內線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅動電流為Igt=CinUgs/tr，其中可取tr=2。2RCin，R為輸入迴路電阻。③為可靠關閉IGBT，防止擎住現象，要給柵極加一負偏壓，因此最好採用雙電源供電。
IGBT集成式驅動電路
IGBT的分立式驅動電路中分立元件多，結構複雜，保護功能比較完善的分立電路就更加複雜，可靠性和性能都比較差，因此實際套用中大多數採用集成式驅動電路。日本富士公司的EXB系列積體電路、法國湯姆森公司的UA4002積體電路等套用都很廣泛。
IPM驅動電路設計
