IGBT-IPM智能模块的电路设计及其在SVG装置中的应用

　　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。

　　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。

　　●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 UU相上臂控制电源Vcc输入。Vcc U:+端；GNDU：-端(4)GND V,(6)Vcc VV相上臂控制电源Vcc输入。Vcc V:+端；GNDV：-端(7)GND W,(9)Vcc WW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）ALMDB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

　　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。

　　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。

　　●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 UU相上臂控制电源Vcc输入。Vcc U:+端；GNDU：-端(4)GND V,(6)Vcc VV相上臂控制电源Vcc输入。Vcc V:+端；GNDV：-端(7)GND W,(9)Vcc WW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）ALMDB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。