IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用

 摘要：介绍了IGBT-IPM智能模块的基本情况和功能特点，并对该智能功率模块的相关电路设计方法和需要注意的问题进行了深入地分析，最后结合SVG装置，详细说明了该模块的应用，并给出了系统硬件结构图。

    关键词：IGBT-IPM智能模块；SVG；DSP

１　引言

电力系统中大功率电力电子装置的开关元件主要是晶闸管和ＧＴＯ。但是，随着近年来双极功率晶体管及功率ＭＯＳＦＥＴ的问世以及生产技术的成熟，这些开关元件凭借自身优越的性能逐渐替代了晶闸管和ＧＴＯ，并朝着节能、轻便、小型化的方向迅速发展。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ?Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）智能模块正是其中的代表之一，它将ＩＧＢＴ单元、驱动电路、保护电路等结合在一个模块之中，利用这些优越的特性可极大地提高实际应用系统的稳定性?同时可简化设计的难度?缩小装置的体积。

图1

２　ＩＧＢＴ智能模块的主要特点

与过去ＩＧＢＴ模块和驱动电路的组合电路相比，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ内含驱动电路且保护功能齐全，因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本文将要介绍的是富士电机最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模块７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特点和使用情况。它除了具有体积小、可靠性高、价格低廉等优点以外，还具有以下主要功能：

●内含驱动电路。该模块同时具有软开关特性，可控制ＩＧＢＴ开关时的ｄＶ／ｄｔ和浪涌电压；用单电源驱动时，无需反向偏压电源；并可防止误导通。关断时，ＩＧＢＴ栅极低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而误导通；模块中的每个ＩＧＢＴ的驱动电路都设计了最佳的驱动条件。

●内含各种保护电路。每个ＩＧＢＴ都具有过流保护（ＯＣ）、负载短路保护（ＳＣ）、控制电源欠压保护（ＵＶ）和过热保护（ＯＨ）等功能。

图2

    ●内含报警输出功能。当出现上述保护动作时，可向控制ＩＰＭ的微机系统输出报警信号。

●包含有制动电路。内含制动单元的ＩＰＭ模块，用此单元可以抑制ＰＮ端子间的电压升高。

图１为该ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模块的内部结构图，图中的前置驱动部分包括驱动放大、短路保护、过流保护、欠压闭锁、管心过热保护等功能电路。图中，各个引脚和端子的标号列于表１。

表1 IGBT-IPM智能模块的脚及端子标号

端子标号	内     容
P,N	经过整流变换平滑滤波后的主电源Vd的输入端子。P：+端，N：-端
B	制动输出端子：再生制动电阻电流的输出端子。不用时，建议接到P或N上
U，V，W	模块的3相输出端子
(1)GND U,(3)Vcc U	U相上臂控制电源Vcc输入。Vcc U:+端；GNDU：-端
(4)GND V,(6)Vcc V	V相上臂控制电源Vcc输入。Vcc V:+端；GNDV：-端
(7)GND W,(9)Vcc W	W相上臂控制电源Vcc输入。Vcc W：+端；GNDW：-端
（10）GND，（11）Vcc	下臂公用控制电源Vcc输入。Vcc：+端；GND：-端
（2）U，（5）V，（8）W	下臂U，V，W相控制信号输入
（13）X，（14）Y，（15）Z	下臂X，Y，Z相控制信号输入
（12）DB，（16）ALM	DB为下臂相控制信号输入，ALM为保护电路动作时的报警信号输出

３　ＩＧＢＴ智能模块电路设计

ＩＧＢＴ智能模块的电路设计主要分为主电源部分、光耦外围控制部分、缓冲电路部分及散热部分。下面分别对这四部分的设计方法和需要注意的问题进行说明。

３．１ 主电源电路

富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模块有很多不同的系列，每一系列的主电源电压范围各有不同，在设计时一定要考虑其应用场合的电压范围。６００Ｖ系列主电源电压和制动动作电压都应该在４００Ｖ以下，１２００Ｖ系列则要在８００Ｖ以下。开关时的最大浪涌电压：６００Ｖ系列应在５００Ｖ以下，１２００Ｖ系列应该在１０００Ｖ以下，根据上述各值的范围，使用时应使浪涌电压限定在规定的值内，且应在最靠近Ｐ、Ｎ端子处安装缓冲器（如果一个整流电路上接有多个ＩＧＢＴ模块，还需要在Ｐ、Ｎ主端子间加浪涌吸收器）。虽然在模块内部已对外部的电压噪声采取了相应的措施，但是由于噪声的种类和强度不同，加之也不可能完全避免误动作或损坏等情况，因此需要对交流进线加滤波器，并绝缘接地，同时应在每相的输入信号与地（ＧＮＤ）间并联１０００ｐＦ的吸收电容。

３．２ 光耦外围控制部分

与主电源电路不同，外围控制电路主要针对的是单片机控制系统的弱电控制部分。由于模块要直接和配电系统连接，因此，必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离开来，以保护单片机控制系统。同时，ＩＧＢＴ模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。所以，设计一个优良的光耦控制电路也是模块正常工作的关键之一。根据ＩＧＢＴ的驱动以及逆变电路的要求?１?，模块内部的ＩＧＢＴ控制电源必须是上桥臂３组，下桥臂１组，总计４组独立的１５Ｖ直流电源。图２是一种推荐的光耦驱动电路。

图２中给出了几种典型光耦驱动电路，其中三极管与光耦并联型电路对光耦特别有利。下面是控制输入的光耦规格要求：

●ＣＭＨ＝ＣＭＬ＞１５ｋＶ／μｓ或１０ｋＶ／μｓ

●ＴＰＨＬ＝ＴＰＬＨ＜０．８ｍｓ

●ＣＴＲ＞１５％

推荐的光耦有：

ＨＣＰＬ－４５０５，ＨＣＰＬ－４５０６

ＴＬＰ７５９（ＩＧＭ），ＴＬＰ７５５等。

一般情况下，光耦要符合ＵＬ、ＶＤＥ等安全认证。同时最好使光耦和ＩＧＢＴ控制端子间的布线尽量短。由于初级和次级间常加有大的ｄｖ／ｄｔ，因此，初、次级布线不要太靠近以减小其间的耦合电容。在使用１５Ｖ的直流电源组件时，建议电源输出侧的ＧＮＤ端子不要互联，并尽量减少各电源与地间的杂散电容，同时还应当确保足够大的绝缘距离（大于２ｍｍ）。光耦输入用的１０μＦ及０．１μＦ滤波电容主要是保持控制电压平稳和修正线路阻抗的稳定，其它地方的滤波电容也很必要。另外，控制信号输入端与Ｖｃｃ端应接２０ｋΩ的上拉电阻，在不使用制动单元时，也应该在ＤＢ输入端与Ｖｃｃ端接２０ｋΩ的上拉电阻，否则，ｄｖ／ｄｔ过大可能会引起误动作。图３为控制信号的输入电路。其它三组上桥臂控制信号输入电路与图３相同，但３组１５Ｖ直流电源应分别供电。而下桥臂的４组，则共用一个１５Ｖ直流电源。

３．３ 缓冲电路

缓冲电路（阻容吸收电路）主要用于抑制模块内部的ＩＧＢＴ单元的过电压和ｄｖ／ｄｔ或者过电流和ｄｉ／ｄｔ，同时减小ＩＧＢＴ的开关损耗。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率、体积都较大，所以在ＩＧＢＴ模块内部并没有专门集成该部分电路，因此，在实际的系统之中一定要有缓冲电路，通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来，电阻可防止电容与电感产生谐振。如果没有缓冲电路，器件在开通时电流会迅速上升，ｄｉ／ｄｔ也很大，关断时，ｄｖ／ｄｔ很大，并会出现很高的过电压，极易造成ＩＧＢＴ器件的损坏。因此，缓冲电路不仅在ＩＧＢＴ模块中需要，在ＳＶＧ系统的整流电路中也同样需要。图４给出了一个典型的缓冲电路，有关阻值与电容大小的设计可根据具体系统来设定不同的参数。

４ ＩＧＢＴ智能模块在ＳＶＧ装置的应用

静止无功发生器ＳＶＧ[３][４][５]（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）是灵活交流输电系统（ＦＡＣＴＳ—Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓ-ｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技术中的一个重要内容，它的主要功能是在系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑、改善系统稳定的作用。目前，改善电压质量的方法是用传统的ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）静态无功补偿装置来减小电压波动及电压不对称，而用机械投切电容器或电抗器消除电压不平衡，用滤波器消除谐波。但是，这些措施的实现及控制都不太灵活，加之设备价格比较昂贵、维修困难，因而在实际系统应用中效果并不是很好。ＦＡＣＴＳ技术中的ＳＶＧ装置以其灵活的动态调节性能克服了这些不足。ＳＶＧ装置的核心部分是逆变电路，它将整流后的直流电压进行逆变以产生与系统相应的交流电压，从而产生所需的交流无功功率。利用ＩＧＢＴ智能模块后，逆变电路无论是在体积、性能、稳定性还是控制方式上都得到了极大地简化。

该系统共分为３个主要部分：第一部分是由ＩＧ-ＢＴ模块构成的逆变电路，第二部分是由电力二极管构成的全波整流电路，第三部分是由微机构成的检测控制系统。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块６ＲＩ１００Ｇ－１６０，该模块的主要作用是将三相线路上的交流电压变为直流输出，从而维持直流电容两端的电压稳定，同时也为逆变电路提供一个直流电压。

    微机控制系统是由以ＡＤＭＣ４０１高速数字信号处理芯片为核心的ＤＳＰ控制系统组成，它具有极高的处理速度和专门的６路ＰＷＭ波发生控制引脚，从图５可以看出，ＤＳＰ控制系统除了完成向ＩＧＢＴ发出控制信号以外，还可完成三相电流和电压的检测、人机交换等功能。电流检测可利用ＫＴ１００－Ｐ型电流传感器来完成，电压检测则利用ＣＨＶ－５０Ｐ电压传感器来完成。键盘管理部分选用８２Ｃ７９接口芯片来管理１６键的键盘输入。输出显示部分则选用以ＳＥＤ１５２０为驱动芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶显示模块（ＬＣＤ）[３]。该模块的显示屏幕一次最多可显示１４个１６×１６ 的点阵汉字，图中只画出了相应的方框图。上述功能均可通过对ＡＤＭＣ４０１数字信号处理芯片的软件编程来实现。其程序流程图见图６所示。

值得注意的是：本ＳＶＧ装置中采用的是单桥路控制电路，所以只用到了一个ＩＧＢＴ智能模块，它一共有６个控制点。如果采用多重化结构并使用多个ＩＧＢＴ模块相串联或并联工作，那么将会得到更多的控制点，当然，输出的波形、容量、电压都将会更好。实际上，在ＳＶＧ系统中，除了ＩＧＢＴ逆变模块以外，还有很多其它的重要组件，因此，要想让ＳＶＧ系统中的ＩＧＢＴ智能模块正常、高效、安全地工作，还需要装置其余各部件都协调运作，才能够达到预期的控制效果。

５　结论

ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模块的应用范围相当广泛，从电机的调速、驱动装置到不停电电源装置、ＳＶＧ装置等，可以说凡是涉及到大功率开关器件、电力变换等场合，只要容量允许，都可以应用它。因此，了解和熟悉ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模块的接口电路，有利于加快装置的开发研制进程，提高实际应用装置的性能，这也就是本文介绍相关实用电路和注意事项的主旨。总之，用户应该根据自己的实际需要来仔细、灵活的设计系统。