单电源IPM模块在交流变频调速控制器中的应用

1 引言

随着电力电子技术、计算机技术和超大规模集成电路技术的快速发展，变频调速系统趋向数字化和高集成度方向发展。传统的分立元器件逐渐被高可靠性的集成元器件所代替：一方面可以减少设计电路的元器件的数量，提高设计效率和缩短开发周期，另一方面，可以大大提高系统的可靠性。因此，集成元器件的应用越来越广泛。在变频调速系统如工业洗衣机，变频家电等控制系统中，功率驱动器件是必不可少的，智能功率模块(ipm)就是一个典型的高度集成的功率驱动器件，由于其体积小、集成功能多、成本低、可靠性高和使用方便等诸多优点，在中、小功率交流变频调速器中已大量使用。本文对单电源ipm模块在变频调速控制器中的应用进行详细的阐述，并结合具体的应用系统给出其典型应用。

2 单电源ipm模块结构和工作原理

2.1 ipm模块的一般特点

ipm模块作为功率集成电路产品， 它使用表面贴装技术将三相桥臂的六个igbt及其驱动电路、保护电路集成在一个模块内，除了具有驱动功能外， 还具有很多保护功能，与传统分立igbt或模块相比，其具有体积小、功能多、可靠性高、价格便宜等优点。ipm模块一般具有以下特点：

(1) 内含驱动电路;

(2) 内含过电流保护(oc)、短路保护(sc);

(3) 内含驱动电源欠压保护(uv);

(4) 内含过热保护(oh)，过热保护是防止igbt、续流二极管(frd)过热的保护功能;

(5)内含报警输出(alm)，alm是向外部输出故障报警的一种功能，当oh及下桥臂oc、uv保护动作时，通过向控制ipm的微机输出异常信号，能即时停止系统。对于具体不同型号的ipm，其内部所集成的功能可能有所差异。

2.2 单电源ipm模块的结构和工作原理

ipm模块正常工作时，需要提供驱动电源。现在普遍使用的ipm模块一般需要提供四路独立的电源，目的是防止其内部上、下桥臂发生直通短路现象，但随着功率器件集成技术发展，一些生产厂家，如日本三菱，日本东芝，美国仙童等，采用自举电源技术，推出单电源ipm模块，使得只需给ipm提供一路驱动电源，这为实现变频调速系统共地提供了可能。单电源dip-ipmps21255-e的内部电路如图1所示。

单电源ipm模块的结构原理图

在图1中，hvic1～hvic3驱动三相桥臂的上管，lvic驱动三相桥臂的下管。其中，hvic1～hvic3中集成了输入pwm信号整形电路、电平移位电路、欠压保护电路、igbt驱动电路，其结构示意图如图2所示。

hvic内部结构原理图[p]

第四代ipm模块的最大的特点就是实现了单电源驱动，其核心技术就是驱动电源采用自举电源技术和电平移位电路，其原理示意图如图3所示。工作原理分析如下：当输入脉冲信号为“1”时，经过脉冲鉴别器确认，且此时无欠压发生， 闩锁逻辑电路上端输出为“1”， 下端输出为“0”， 此时，t1管导通，t2管关断，igbt1的门极驱动电压为+15v，igbt1导通， igbt2关断; 反之， 当输入脉冲信号为“0”时， igbt1关断，igbt2导通。自举电源由图3中的电阻r1、自举二极管d1和自举电容c1组成， 当下桥臂igbt2导通时，自举电容c1通过r1和d1充电，这里必须保证c1首次充电时， igbt2导通一定的时间，使得c1充电充分，这样c1两端的电压保持为+15v，足够驱动上桥臂的igbt1， 通过这种自举电源技术，允许igbt1的源端在p、n之间浮动。由于采用自举电源来驱动上桥臂的igbt，所以这里要求满足一个条件，即在开始工作之前，必须使下桥臂开通足够长的时间(≥200μs)，以便让自举电容充分充电。

自举电源和电平移位电路原理图

3 ipm模块参数的确定

在系统硬件设计时，为了保证ipm长期安全可靠地工作，选择和使用ipm模块时，应当根据系统实际情况对ipm模块以下几个参数进行正确选择：

(1)ipm模块igbt的最大耐压值vces，该值一般按略大于直流电压的两倍选择，如直流侧电压为300v，则选择ipm模块的igbt耐压值在600v左右;

(2)ipm模块igbt的额定电流值ic及集电极峰值icp，icp的选择应根据电动机的峰值电流而定，而电动机的峰值电流应由电动机的额定功率、电动机效率、电动机的线电压、功率因数等因素有关;

(3) igbt的开关频率fpwm，这主要根据系统设计需求而定，尽可能选择留有一定余量的igbt;

(4)在应用时必须注意ipm的最小死区时间tdead，软件设计中死区时间不能小于最小死区时间tdead;除了上述主要参数以外，还有其他一些参数也需要考虑，如igbt的最大结温tj等，为了igbt的长时间正常工作，必须使ipm有良好的散热条件， 如通过散热器和强冷风扇散热等。ipm模块参数的选择，主要依赖于具体的应用系统， 只有正确选择ipm模块和相关的元器件，才能设计出可靠的系统。

4 单电源ipm模块的应用

单电源ipm模块应用非常广泛，尤其在中小功率变频系统中，如工业洗衣机控制用变频器，纺织机控制用储纬器，注塑机控制系统中等，家电行业应用也非常广泛，如变频空调、洗衣机、冰箱等。下面以ipm模块在小功率变频器中的实际使用情况，具体说明单电源ipm在系统中的应用。单电源ipm模块在系统中应用示意图如图4所示。

单电源ipm模块的应用系统

由于系统中使用了单电源ipm模块，即只需要给ipm模块提供一路电源，整个系统可以共一个参考地，这样可以减少用于电气隔离用的光耦，包括6路pwm驱动信号，故障检测信号。另外，电压、电流检测也可以方便地通过检测直流侧电压和n线电流，而不需要电压互感器和电流互感器，从而大大降低系统的硬件成本。

在使用中当出现ipm保护信号时， 应当封锁六路pwm脉冲信号， 停止系统的运行， 因为有些故障可能是重复出现的，如短路故障;为了防止不必要的干扰信号， ipm的外围电路的某些布线应尽可能短， 如直流母线间的平滑滤波电容及吸收电容之间的布线，ipm内部过流检测的外部电路元件之间的布线等;当输入pwm信号断路时应能及时关闭igbt，为此将六路pwm输入信号通过接电阻和+5v电源上拉，同时为了防止输入pwm信号的波动，应当在pwm输入信号线上接滤波电容; ipm故障输出端口fo在正常时应保持为高电平， 通过电阻接+5v电源上拉。除了上述主要方面外，为了更好地保护ipm模块及整个系统的安全， 还应当设计必要辅助保护电路， 如过压、欠压检测电路，过流/过载检测等电路等，根据检测的结果， 软件应能够及时封锁六路pwm脉冲， 以达到保护整个系统的目的。

5 结束语

在中小功率变频调速控制器中，ipm模块是较为理想的功率器件，尤其是单电源ipm模块。单电源ipm模块的使用，可以大大缩短产品开发周期，降低产品成本，进一步提高产品的可靠性和市场竞争力。