IPM在电力机车大功率开关电源中的应用研究

摘要：智能功率模块IPM在电力电子领域的应用越来越广泛。在此详细描述了IPM的结构和外型，着重阐明了IPM中的自我保护机制，以便于蝙程实现。同时，结合在研项目“电力机车模块化分布式大功率开关直流稳压电源”的设计与开发，分析了IPM作为大功率高频逆变器应用时的相关注意事项，给出了具体设计的电路图和选型资料。通过实际现场调试，现场保护灵敏度高，运行稳定可靠。
关键词：IPM；保护机制；IGBT；逆变器

    随着电子技术的发展，功率半导体技术已经成为现代电力电子技术的核心。以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的功率器件，在众多工业控制领域得到越来越广泛的应用。IGBT作为一种典型的双极性MOS复合型功率器件，集MOSFET与GTR(大功率晶体管)的优点于一身，既具有输入阻抗高，开关速度快，热稳定性好和驱动电路简单的长处，又具有通态电压低，耐压高和承受电流大的优点。IPM(intelligent power
module)作为一种智能功率模块，它以IGBT为基础，内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上均有很大的提高，同时由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故整个系统的体积减小了很多，适应了功率器件的发展方向，从而应用领域越来越广。

1 IPM的基本结构
1．1 IPM结构形式
    IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和优先的门级驱动及保护电路构成，如图1所示。根据内部功率电路配置的不同，IPM分为H型、D型、C型和R型4种。图中，H型内部封装1个IGBT，D型内部封装2个IGBT，C型内部封装6个IGBT，R型内部封装7个IGBT。


1．2 IPM的内部机制
    IPM内部设有栅极驱动控制电路、故障检测电路和各种保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片，用以监测IGBT的主电流。而内部故障保护电路主要用以检测过流、过热和欠压等故障。图2为IPM功能框图。

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2 IPM保护功能
    IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统的开发周期，也提高了系统在故障情况下的自我保护能力。与普通的IGBT模块相比，由于增加了保护电路，因而IPM在系统性能及可靠性方面都有很大的提高。
    IPM的保护功能包括控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中的一种保护电路产生动作，其内部的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)。
    (1)控制电压欠压保护(UV)：IPM使用单一的15 V供电，若供电电压低于12．5 V，且时间超过toff=10 ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。如图3所示。


    (2)过热保护(0T)：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，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。
    (3)过流保护(0C)：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Fo。为避免发生过大的电流变化率di／dt，大多数的IPM采用两级关断模式。如图4所示。


    (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，为避免发生过大的电流变化率di／dt，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问的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)，使响应时间小于100 ns，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中任一种故障时，IPM将立即输出故障信号Fo，该故障信号持续时间tFo为1．8 ms(SC持续时间会长一些)，此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM。当故障输出信号持续时间结束后，IPM内部会自动复位，门极驱动通道重新开放。
    IPM器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果在tFo结束后故障源仍然没有被排除，则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，设计时应避免其反复动作，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。为了使系统真正安全、可靠地运行，通常需要设计辅助的外围保护电路。同时，IPM对欠压、过流、短路和过热等故障发生时，均输出同一个故障信号Fo因而主控系统无法判断故障产生的具体原因，还需要更进一步的故障诊断技术。

3 IPM在电力机车模块化分布式大功率开关直流稳压电源中的应用
    电力机车中的110 V稳压电源是为机车上的各种控制器件以及仪表照明和信号显示屏等相关设备提供动力，因而对整个电力机车来讲至关重要。电力机车110 V稳压电源的输出功率大，对稳定性和可靠性要求非常高。为了满足系统要求，采用了分布式结构，利用多个逆变模块，通过负荷分担的方式来组成大功率系统。同时，采用IPM智能功率模块作为逆变器主元件，利用DSP控制单元来产生逆变器的控制信号，从而提高了系统的可靠性和可控制性。
    IPM在应用时首先应注意型号的选择，不同型号的IPM其耐压损坏值不同，为了避免电压过高(比如浪涌电压)造成的IPM损坏，在选择时必须合理地预留一部分裕量。IPM在工作状态时，流经的电流通常都比较大，因而散热比较重要，为了避免温度升高损坏IPM，使用时要选用较好的散热器，并且IPM与散热器之问应涂抹一层均匀的硅脂。为了避免IPM驱动电路中地线噪声的影响，设计时应注意将驱动电压相互隔离。为了防止IPM上下臂开关同时打开，设计时应注意采用死区控制方式。[!--empirenews.page--]
    笔者在“电力机车模块化分布式110 V直流稳压电源”项目中选用了日本东芝的IPM模块PM75CSA120作为逆变器主元件。M75CSAl20与主控制电路板采用光电耦合器件进行隔离，在光电耦合器件的选型上，根据PM75CSAl20驱动的要求，对桥臂的驱动选用HCPL4504高速光电耦合器件，而在故障反馈回路，选用低速光电耦合器件PC817，这两种光电耦合器件都具有很好的共模抑制特性，适合本系统的应用环境。其电路如图5所示。


    IPM逆变器控制信号由DSP控制单元产生，DSP选用了TI公司的TMS320F2812数字信号处理芯片。功率驱动电路的输入(即IPM的控制信号)由
TMS320F2812内含的全比较单元相对应的PWM0～PWM3产生。
    TMS320F2812的事件管理器模块包含了两个功率驱动保护中断引脚(PDPINTx，x=A或B)，当IPM过压、过流、短路及温度的急剧上升时，只要PDPINTx的中断未被屏蔽，则该引脚将被拉低，所有的事件管理器输出引脚均被硬件设置为高阻态。因此功率驱动保护中断引脚可用来监测直流电源的异常情况，同时实现故障保护。
    在实际的电源调试过程中，尽管输出的电流达到了20 A，但IPM工作仍然十分稳定，通过人为设置故障，IPM保护电路反应迅速，同时有效输出故障信号，从保护了功率器件，提高了电源的稳定性。

4 结语
    IPM作为一种智能功率器件，以其损耗小，开关速度快，耐压等级高，体积小，可靠性高等诸多优点，在电力电子技术领域已经被越来越广泛地应用。IPM在大功率逆变电源的应用中，减小了电源的体积和重量，提高了转换效率，保证了电源的稳定可靠性能。