智能功率模塊及其在變頻調(diào)速中的應(yīng)用
宋凌鋒 宋 凱 宋立偉(哈爾濱工業(yè)大學(xué)150001)
袁敬安(哈爾濱理工大學(xué))
【摘 要】介紹智能功率模塊的結(jié)構(gòu)、自保護(hù)特性和接f：i電路的設(shè)計(jì)，并以一具體實(shí)例說明其在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。
l 引 言
intllimod-3智能功率模塊lpm(intelligent power modules，以下簡稱智能模塊)是一種幾個(gè)高速、低功耗的igbt和****選的門驅(qū)動(dòng)電路集成為一體的混合電路器件。它通過采用先進(jìn)的電流檢測(cè)型igbt和與之相匹配的門控電路，實(shí)現(xiàn)高效的自保護(hù)功能。智能模塊的使用能縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間和提高系統(tǒng)的可靠性，并使系統(tǒng)硬件電路簡單緊湊。大大減小系統(tǒng)尺寸。有人總結(jié)其特點(diǎn)是，用于變頻控制的靈活簡單的黑匣子。
2智能模塊
2．1智能模塊的結(jié)構(gòu)
intllimod系列的器件開發(fā)了三種類型，每種類型都有其獨(dú)特的電氣和機(jī)械的****設(shè)計(jì)，滿足不同的應(yīng)用要求；同時(shí)智能模塊提供了四種不同的主電路(電源回路)結(jié)構(gòu)：單組件(h)、雙組件(d)、六組件(c)和七組件(r)，如圖1所示。
i型智能模塊在智能模塊系列中是功率****的，這組器件造價(jià)相當(dāng)?shù)停庋b形式緊湊
簡單，采用一個(gè)以環(huán)氧樹脂為主的絕緣系統(tǒng)。這類ipm非常適用于低成本和緊縮尺寸的應(yīng)用場合。
2型智能模塊的主電路是類型r，屬于中型功率器件(三相加上制動(dòng)部分)。這種器件的電流和(或)電壓增加了，因此需要采用陶瓷絕緣，這類絕緣也使得熱性能得以改善。
3型智能模塊是intellimld系列中功率****的器件。這類器件的結(jié)構(gòu)與2型模塊的結(jié)構(gòu)相似，都具有dbc陶瓷襯底和用于控制電路分離的印刷電路板。為了保持低的浪涌電壓和減輕與接口電路的耦合，內(nèi)部總線的電感是特別低的。這類模塊既有類型d又有類型h。
2．2自保護(hù)功能
intellimod智能模塊有復(fù)雜的內(nèi)部保護(hù)電路，以防止系統(tǒng)因誤動(dòng)作或過載而損壞功率器件。ipm內(nèi)部的門控電路提供_『控制(模塊)電源的欠壓、過熱、過流和短路保護(hù)(帶有自動(dòng)復(fù)位功能)。保護(hù)電路動(dòng)作，則故障信號(hào)給系統(tǒng)控制器提供報(bào)警信號(hào)。ipm的保護(hù)功能帶有較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)控制器可以通過檢測(cè)故障信號(hào)的持續(xù)時(shí)間和時(shí)序確定故障的類型。
2．3智能模塊的控制
智能模塊內(nèi)藏驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，控制容易。外部驅(qū)動(dòng)和保護(hù)綜合電路僅需一個(gè)分立電源和一個(gè)低電壓開關(guān)控制信號(hào)，由模塊內(nèi)部保護(hù)電路的運(yùn)行監(jiān)測(cè)提供故障信號(hào)。內(nèi)部的門控電路僅需要一個(gè)簡單的直流(+15v)電源，設(shè)計(jì)特點(diǎn)是取消了門驅(qū)動(dòng)電路，為使igbt關(guān)斷基極所需施加的負(fù)電源(負(fù)壓)，它的控制輸入設(shè)計(jì)成具有最少外圍元件的光電耦合器。
3 ipm在變頻調(diào)速中的應(yīng)用
3．1變頻調(diào)速系統(tǒng)中正確使用ipm
ipm的選用首先是根據(jù)變頻裝置的容量(電動(dòng)機(jī)額定功率)，同時(shí)也要考慮供電電源容量，確定其額定值和****值，然后選擇具體型號(hào)，型號(hào)選定之后，ipm的主電路結(jié)構(gòu)也就確定了，接著可對(duì)變頻裝置的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。如果系統(tǒng)硬件對(duì)主電路結(jié)構(gòu)形式有特殊要求，則需把ipm額定值和主電路結(jié)構(gòu)形式結(jié)合起來考慮，使二者皆滿足要求。
控制電源和觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)形式一般由ipm主電路的結(jié)構(gòu)決定。智能模塊內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路所需分立電源決定了電源的配置，可以是1個(gè)、2個(gè)或4個(gè)。大功率三相逆變器系統(tǒng)用3型i．pm，需要6個(gè)分立電源。在這種大電流應(yīng)用電路中，每個(gè)橋臂必須有自己獨(dú)立的電源控制，為的是避免大地循環(huán)噪聲的影響�？刂齐娫磻�(yīng)該穩(wěn)定在+1 5v的±10％。在控制電源之間的電容耦合必須最小，當(dāng)極間電容超過loopf，可能要引起噪聲，此噪聲將觸發(fā)控制電路，至少有10μf退耦電容應(yīng)跨接在控制電源的兩端，這個(gè)電容將有助于濾掉其公共干擾(噪聲)，同時(shí)提供一個(gè)智能模塊內(nèi)部門驅(qū)動(dòng)電路所需的大脈沖電流。智能模塊中igbt功率開關(guān)用一個(gè)低幅值輸入信號(hào)控制，典型輸入是由上拉電阻將其拉成高電平。在觸發(fā)電路設(shè)計(jì)中，觸發(fā)電流限流電阻大小的取值至關(guān)重要，它將直接影響主開關(guān)管的開通和關(guān)斷狀態(tài)，必須慎重選擇。如果，該電阻大了，則提供的觸發(fā)電流太小，不能使主開關(guān)管正常導(dǎo)通；電阻小了，則觸發(fā)電流太大，會(huì)使主開關(guān)管關(guān)斷延時(shí)，甚至關(guān)斷不正常。
故障信號(hào)的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的可靠性十分重要。為了保證接口電路簡單，智能模塊采用了一個(gè)開、關(guān)輸出信號(hào)作為系統(tǒng)控制器的一個(gè)故障報(bào)警信號(hào)。故障信號(hào)都要通過光耦隔離，
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