IPM驱动和保护电路的研究
中心论题：
- 智能功率模块(IPM) 具有GTR和MOSFET两者的优点
- IPM内置的驱动和保护电路缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力
- 以PM100DSA120为例介绍IPM驱动电路的设计
- 介绍IPM保护电路的设计，包括硬件实现和软件实现两方面
解决方案：
- IGBT的驱动设计要注意栅极的加压保护等方面
- 通过硬件或软件方式实现外围辅助保护电路，和IPM的内部保护机制一起构成完善的系统保护
智能功率模块(IPM)是Intelligent Power Module的缩写，是一种先进的功率开关器件，具有GTR大功率晶体管高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点，以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，使用起来方便，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了当今功率器件的发展方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC)，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。本文以三菱公司PM100DSA120为例，介绍IPM的基本特性，然后着重介绍IPM的驱动和保护电路的设计。
IPM的基本工作特性
a.IPM的结构
IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图1所示。其中，IGBT是GTR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GTR，因而IGBT具有两者的优点。
IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类:H型(内部封装一个IGBT)、D型(内部封装两个IGBT)、C型(内部封装六个IGBT)和R型(内部封装七个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。
b.IPM内部功能机制
IPM的功能框图如图2所示。IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。
IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比，IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。
保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能具体如下：
(1)控制电压欠压保护(UV):IPM使用单一的+15V供电，若供电电压低于12.5V；且时间超过toff=10ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
(2)过温保护(OT):在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
(3)过流保护(OC):若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的
，大多数IPM采用两级关断模式，过流保护和短路保护操作可参见图3。其中，VG为内部门极驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。
(4)短路保护(SC):若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的
，大多数IPM采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作间的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)；使响应时间小于100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。
当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tFO为1.8ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM；故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。
可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果tFO结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。
IPM驱动电路的设计
驱动电路是IPM主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。
a.IGBT的分立驱动电路的设计
IGBT的驱动设计问题亦即MOSFET的驱动设计问题；设计时应注意以下几点:①IGBT栅极耐压一般在±20V左右，因此驱动电路输出端要给栅极加电压保护，通常的做法是在栅极并联稳压二极管或者电阻。前者的缺陷是将增加等效输入电容Cin，从而影响开关速度，后者的缺陷是将减小输入阻抗，增大驱动电流，使用时应根据需要取舍。图4为IGBT栅极保护原理图，其中，RG、DZ、Cin分别为等效栅极阻抗、稳压管和等效输入电容。②尽管IGBT所需驱动功率很小，但由于MOSFET存在输入电容Cin，开关过程中需要对电容充放电，因此驱动电路的输出电流应足够大，这一点设计者往往忽略。假定开通驱动时，在上升时间tr内线性地对MOSFET输入电容Cin充电，则驱动电流为
，其中可取tr=2.2RCin，R为输入回路电阻。③为可靠关闭IGBT； 防止擎住现象； 要给栅极加一负偏压，因此最好采用双电源供电。
b.IGBT集成式驱动电路
IGBT的分立式驱动电路中分立元件多，结构复杂，保护功能比较完善的分立电路就更加复杂，可靠性和性能都比较差，因此实际应用中大多数采用集成式驱动电路。日本富士公司的EXB系列集成电路、法国汤姆森公司的UA4002集成电路等应用都很广泛。
c.IPM驱动电路设计
现以PM100DSA120为例进行介绍。PM100DSA120是一种D型的IPM，内部封装了两个IGBT，工作在1200V/100A以下，功率器件的开关频率最大为20kHz。由于IPM内置了驱动电路，与IGBT驱动电路设计相比，外围驱动电路的设计比较方便，只要能提供15V直流电压即可。
但是IPM对驱动电路输出电压的要求很严格；具体为:①驱动电压范围为15V±10%；电压低于13.5V将发生欠压保护，电压高于16.5V将可能损坏内部部件。②驱动电压相互隔离，以避免地线噪声干扰。③驱动电源绝缘电压至少是IPM极间反向耐压值的两倍(2Vces)。④驱动电流可以参阅器件给出的20kHz驱动电流要求，根据实际的开关频率加以修正。⑤驱动电路输出端滤波电容不能太大，这是因为当寄生电容超过100pF时，噪声干扰将可能误触发内部驱动电路。
这里介绍一种可获得高质量15V电源的方案。该方案驱动电路不仅结构紧凑、简单，而且抗干扰能力强，典型电路如图5所示。
图中各器件的类型和参数已经标出，其中，M57140-01和M57120L是三菱公司为其IPM系列产品专门配置的电压变换模块。在M57120L的输入端加一路113V～400V的直流电压可以在输出端得到一路20V的直流电压，在M57140-01的输入端加一路18V～22V的直流电压，输出端可以得到4路相互隔离的15V电压，方便地为IPM供电；HCPL4504和PC817是高速光耦，起到电气隔离IPM与外部电路的作用，IPM的控制信号Cin和故障输出信号FO通过光耦传输。
在应用要求不高的场合也可以用常用的整流电路得到的20V直流电压取代M57120作为M57140-01的输入端，也可以采用整流电路直接得到的15V直流电压为PM100DSA120供电，但效果不如图5所示的方案，实践应用中证明了这一点。
IPM保护电路的设计
完善的系统保护不能只依靠IPM的内部保护机制，需要辅助外围的保护电路，这可以通过硬件的方式实现，也可以通过软件的方式实现。
a.IPM保护电路的硬件实现
实现方式很多，列举两个例子说明。
方案一 PWM接口电路前置74HC245、74HC244等带控制端的三态收发器，如图6所示。IPM的控制信号经过74HC245的输入、74HC245的输出后送至IPM接口电路；各个IPM的故障输出信号经光耦隔离输出后得到高电平FO，送入或门，或门输出经过R-C低通滤波器后，送入74HC245的使能端／OE。IPM正常工作时，或门输出为低电平，74HC245选通；IPM故障报警时，或门输出为高电平，74HC245所有输出置为高阻，封锁各个IPM的控制信号，关断IPM；实现了保护功能。
方案二 PWM接口电路前置一级带控制端的光耦，如6N137。方案二的原理与方案一类似，只是由于高电平使能控光耦合6N137，或门换成了或非门，其输出经过R-C低通滤波器后，送入了可控光耦合6N137的光耦使能端VE， 但同样在IPM故障报警时封锁IPM的控制信号通道，实现了保护功能。
需要注意的是，为缩短故障响应时间，R-C低通滤波器时间常数应该小。两级光耦延长了响应时间，应选用高速光耦。
以上两种方案都是利用IPM故障输出信号封锁IPM的控制信号通道，因而弥补了IPM自身保护的不足，有效地保护了器件。
b.IPM保护电路的软件实现
软件的基本思路是:IPM故障报警时，故障输出信号送到控制器处理，处理器确认后，利用软件关断IPM的控制信号，从而达到保护目的。
综上所述，软件保护不需增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响；硬件保护则反应迅速，工作可靠。实践应用中软件与硬件结合的保护方式能更好地提高系统的可靠性。
IPM的驱动和保护电路的设计实例
笔者在DSP控制开关磁阻电机的项目中，选用IPM作为功率变换器的主开关器件，控制器采用了德州公司的TMS320F240 数字信号处理器，功率驱动电路的输入(即IPM的控制信号)由TMS320F240内含的全比较单元相对应的PWM1～PWM4产生。
TMS320F240的事件管理器模块包含一个功率驱动保护引脚(PDPINT)，当该引脚被拉低时，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态，因此PDPINT可用来为监控程序提供电机驱动的异常情况，并实现故障保护。
驱动电路的设计如图4所示。保护电路选用软件保护，四个功率器件IPM的故障信号经过光耦隔离，送至或非门CD4078，其输出经过低通阻容滤波器连接到DSP的PDPINT引脚。当IPM故障报警时，PDPINT引脚被拉为低电平，DSP内部定时器立即停止工作，所有PWM输出呈高阻态，封锁IPM控制信号；同时产生中断信号，通知DSP有故障情况发生，在中断服务程序中判断发生何种故障，并显示故障代码。
图7为负载电流为8A、SRM额定转速运行时IPM的15V驱动电压波形。
实际运行效果显示，IPM供电电源稳定，IPM运行良好，保护电路可以可靠地保护功率器件。
IPM正常工作对电源的要求相当高，文中介绍的驱动电路可以很好地满足IPM的工作要求；IPM自身的保护电路不具有保持性，完善的系统保护必须辅助外围保护电路；利用IPM自身的故障输出信号封锁IPM的控制信号输入可以方便、有效地保护器件。
