基于三菱IPM模塊的外圍接口電路的設(shè)計(jì)

1、 IPM 是一種先進(jìn)的功率 開 關(guān) 器 件 , 具 有 GTR(大功率晶體管 高電流密度、 低飽和電壓和耐高壓 特點(diǎn) , 并具有 MOSFET (場效應(yīng)晶體管 高輸入阻抗、 高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率等優(yōu)點(diǎn)。 IPM 內(nèi)部集成了 邏輯、 控制、 檢測(cè)和保護(hù)電路 , 不僅減小了系統(tǒng)的體 積以及開發(fā)時(shí)間 , 也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性 1。近年來 , 在工業(yè)器械方面的通用變頻、 交流伺服等電機(jī)控制裝置中 , 除了對(duì)高性能化、 小型化、 低 功耗化的需求之外 , 對(duì)于易用性、 顧全環(huán)境等新要求 也在逐年增高 , 三菱公司為滿足市場新需求 , 推出了第 5代 IPM 產(chǎn)品群。 本文以三菱公司的第 5代 L 系

2、列 IPM 模塊 PM25RLA120為例 , 介紹了 IPM 外圍 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì) , 并提供了一種 IPM 過流保 護(hù)功能硬件電路的設(shè)計(jì)方法。1IPM 的基本工作特性1.1IPM 的結(jié)構(gòu)IPM 由高速、低功率 IGBT 、 優(yōu)選的門極驅(qū)動(dòng)器 及保護(hù)電路構(gòu)成。 其中 , IGBT 是 GTR 和 MOSFET 的 復(fù)合 , 由 MOSFET 驅(qū)動(dòng) GTR , 因而 IPM 具有 GTR 和文章編號(hào) :1001-9944(200801-0057-04收稿日期 2006-11-23; 修訂日期 :2007-08-10作者簡介 :李愛英 (1981- , 女 , 碩士研究生 , 助理工程師

3、, 研究方向?yàn)榻涣魉欧刂??；谌?IPM 模塊的外圍接口電路的設(shè)計(jì)李愛英 , 程穎(連云港杰瑞電子有限公司 , 連云港 222006摘要 :針對(duì)工業(yè)變頻、交流伺服等市場領(lǐng)域?qū)β誓K的需求 , 三菱公司開發(fā)了第 5代IPM 智能功率模塊。該文簡述了 IPM 模塊的基本工作特性 , 然后以 L 系列 IPM25R LA120模塊為例 , 詳細(xì)介紹了 IPM 模塊外圍接口電路的設(shè)計(jì) , 并提出了 IPM 過流保護(hù)的一種設(shè) 計(jì)方法。最后通過數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的項(xiàng)目實(shí)例 , 表明了該接口電路設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡 單、 抗干擾性強(qiáng)、 運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 :智能功率模塊 ; 驅(qū)動(dòng) ; 保護(hù) 中圖分類

4、號(hào) :TM921文獻(xiàn)標(biāo)志碼 :BDesign of Peripheral Interface Circuit Based on Mitsubishi Electric IPM ModulesLI Ai-ying , CHENG Ying(JARI Lianyungang Electronics Co. , Ltd. , Lianyungang 222006, China Abstract :In order to meet the requirement of power modules in the fields industrial frequency conversion devices

5、 and AC servo control , mitsubishi electric developed the 5th generation IPM modules. In this paper , the basic work features of IPM are depicted firstly. Then it takes example for IPM25RLA120which is one of the L series IPM modules , the design of peripheral interface circuit with IPM modules is in

6、troduced. Also an approach of over-current protection is proposed. Finally , the experimental results of digital servo control system show the advantages of the in-terface circuit design such as simply configuration , good perturbation rejection and run dependability etc. Key words :intelligent powe

7、r module (IPM ; drive ; protection57 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)。IPM 采用了許多在 IGBT 模塊已經(jīng)得到驗(yàn)證的 功率模塊隔離封裝技術(shù)。由于采用了兩種不同的封 裝技術(shù) , 使得內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路能適用 的電流范圍很寬 , 同時(shí)使造價(jià)維持在合理水平。小 功率器件 (1550 A 、 600V 和 (1015 A 、 1200V 采用 一種多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣技術(shù) , 而中大功率器件 采用陶瓷絕緣技術(shù) 2。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置情況 , IPM 有 4種形式 :單管封裝 (H 、 雙管封裝 (D 、 六合 一封裝 (C 和七合一封裝 (R , 如圖 1所示。

8、1.2IPM 的內(nèi)部功能機(jī)制IPM 內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路 , 保護(hù)功能有控 制電源欠壓鎖定保護(hù)、 過熱保護(hù)和短路保護(hù) , 一些六 管封裝的 C 型模塊還具有過流保護(hù)功能。當(dāng)其中任 一種保護(hù)功能動(dòng)作時(shí) , IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷 門極電流 , 并輸出一個(gè)故障信號(hào)。以 7管封裝的 R 型 IPM 為例 , 其內(nèi)部功能框圖如圖 2所示。IPM 的各種保護(hù)功能具體如下 :控制電壓欠壓保護(hù) (UV (50300 A/600V 、 (25 150 A/1200V IPM 需要 4路隔離的 +15V 供電 , 控制 電 源 電 壓 降 低 時(shí) , 會(huì) 導(dǎo) 致 IGBT 的 Vce(sat 功 耗

9、增 加 , 為防止熱損壞 , 當(dāng)檢測(cè)到控制電源電壓低于 12.5V 時(shí) , 發(fā)生欠壓保護(hù) , 封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路 , 輸出 故障信號(hào)。過溫保護(hù) (OT 在靠近 IGBT 芯片的絕緣基板 上安裝了一個(gè)溫度傳感器 , 所以過溫保護(hù)可直接檢 測(cè) IGBT 單元的硅片溫度 , 當(dāng) IPM 溫度傳感器測(cè)出 基板的溫度超過設(shè)定值 (OT 動(dòng)作電平 時(shí) , 發(fā)生過溫 保護(hù) , 封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路 , 輸出故障信號(hào)。短路保護(hù) (SC 若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故 障導(dǎo)致短路 , 流過 IGBT 的電流值超過短路動(dòng)作電 流 (一般為 IGBT 額定工作電流的 2倍 , 且短路時(shí) 間超過 t off (SC , 則發(fā)生

10、短路保護(hù) , 封鎖門極驅(qū)動(dòng)電 路 , 輸出故障信號(hào)。為避免發(fā)生過大的 di/dt , 大多數(shù) IPM 用兩級(jí)關(guān)斷模式。為縮短過流保護(hù)的電流檢測(cè) 和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間 , IPM 內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流 控制電路 (RTC , 減小響應(yīng)時(shí)間 , 從而有效抑制了電 流和功率峰值 , 提高了保護(hù)效果。過流保護(hù) (OC 有些六管封裝的 C 型 IPM 具 有過流保護(hù)功能。若流過 IGBT 的電流值超過過流 動(dòng)作電流值 , 則發(fā)生過流保護(hù) , 封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路 , 輸出故障信號(hào)。跟短路保護(hù)一樣 , 為避免發(fā)生過大 的 di/dt , 大多數(shù) IPM 采用兩級(jí)關(guān)斷模式。當(dāng) IPM 發(fā)生 UV 、 OT 、 S

11、C 、 OC 中任一故障時(shí) , 其 故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間 t FO 為 1.8ms (一般 SC 持續(xù) 時(shí)間會(huì)長一些 , 此時(shí)間內(nèi) IPM 會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng) , 關(guān) 斷 IPM ; 故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后 , IPM 內(nèi)部自 動(dòng)復(fù)位 , 門極驅(qū)動(dòng)通道開放?？梢钥闯?, 器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持 性的 , 如果 t FO 結(jié)束后故障源仍舊沒有排除 , IPM 就 會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程 , 反復(fù)動(dòng)作。過流、 短路、 過 熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況 , 應(yīng)避免其反 復(fù)動(dòng)作。因此 , 僅靠 IPM 內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全 實(shí)現(xiàn)器件的保護(hù) , 要使系統(tǒng)真正安全、 可靠運(yùn)行 , 還 圖 2I

12、PM 的功能框圖Fig.2Functional block of IPM圖 1IPM 的電路結(jié)構(gòu) Fig.1Circuit structure of IPM58 需要輔助的外圍保護(hù)電路。2IPM 的外圍驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)IPM 外部驅(qū)動(dòng)電路是 IPM 內(nèi)部電 路 和 控 制 電 路間的接口 , 良好的外部驅(qū)動(dòng)電路對(duì)以 IPM 構(gòu)成的 系統(tǒng)運(yùn)行效率、 可靠性和安全性都有重要意義。 由 IPM 內(nèi)部功能框圖可見 , 器件本身含有驅(qū)動(dòng) 電路。所以只要提供滿足驅(qū)動(dòng)功率要求的 PWM 信 號(hào)、 驅(qū)動(dòng)電路電源和防止干擾的電氣隔離裝置即可。 但是 , IPM 對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求很嚴(yán)格 :驅(qū)動(dòng)電壓范圍 為 13.5V

13、 16.5V , 電壓低于 13.5V IPM 將會(huì)誤動(dòng)作 , 甚至發(fā)生欠壓保護(hù) ; 電壓高于 16.5V 可能損壞內(nèi)部 部件 ; 驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為 5Hz 20kHz , 且需采用電氣隔 離裝置 , 防止干擾 ; 驅(qū)動(dòng)電源絕緣電壓至少是 IPM 極間反向耐壓值的 2倍 (2×Vces ; 驅(qū)動(dòng)電路輸出端 的濾波電容不能太大 , 因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過 100pF 時(shí) , 噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路 2?，F(xiàn)以 PM25RLA120為例 , 設(shè)計(jì)了 IPM 的一種典 型外圍驅(qū)動(dòng)電路 , 如圖 3所示。其中 , M57120L 和 M57140-01是三菱公司為其 IPM 系列產(chǎn)品專門配

14、 置的電壓轉(zhuǎn)換模塊。在 M57120L 的輸入端加一路 113400V 的直流電壓即可在輸出端得到一路 20V 的 直 流 電 壓 , 為 M57140-01提 供 輸 入 電 壓 , M57140-01產(chǎn)生 IPM 所需的 4路相互隔離的 +15V 電壓 ; IPM 的控制 輸 入 信 號(hào) 經(jīng) 高 速 光 耦 HCPL4504送到 IPM 的輸入端 , 六路輸入信號(hào)的電路結(jié)構(gòu)均相 同 , 所以圖中只畫出其中的一路輸入信號(hào) ; 高速光耦 起到電氣隔離 IPM 與外部電路的作用。 IPM 的控制 輸入信號(hào)和故障輸出信號(hào)均需通過光耦傳輸。在應(yīng)用要求不高的場合也可以用常用的整流電 路得到 20V 直

15、流電壓取代 M57120L 作為 M57140- 01的輸入端 , 也可以采用整流電路直接得到 4路隔 離 +15V 電壓 , 但效果不如圖 3所示的方案。3IPM 的保護(hù)電路設(shè)計(jì)因 IPM 自身提供的 FO 信號(hào)不能保持 , 為避免 IPM 保護(hù)動(dòng)作的反復(fù)性 , 一個(gè)完整的系統(tǒng)不能只依 靠 IPM 的內(nèi)部保護(hù)機(jī)制 , 還需要輔助外圍電路的保 護(hù) , 外圍輔助電路將內(nèi)部提供的 FO 信號(hào)轉(zhuǎn)換為封 鎖 IPM 的控制信號(hào) , 關(guān)斷 IPM 輸入信號(hào) , 實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 可通過硬件方式實(shí)現(xiàn) , 也可通過軟件方式實(shí)現(xiàn)。 3.1IPM 保護(hù)電路的硬件實(shí)現(xiàn)IPM 有故障時(shí) , 故障輸出端將輸出低電平 , 通

16、過 低速光耦隔離 , 到達(dá)硬件電路 , 關(guān)斷 PWM 輸出 , 從 而實(shí)現(xiàn)保護(hù) IPM 的目的。具體硬件連接方式如圖 4所示。 PWM 信號(hào)經(jīng)三態(tài)收發(fā)器 74HC245后 , 送至高 速光耦 HCPL4504, 經(jīng)光耦隔離放大后接 IPM 內(nèi)部 驅(qū)動(dòng)電路控制 IGBT 工作。 IPM 的 4個(gè)故障信號(hào) (包 括上臂 3管的故障輸出端子和下臂管的 1個(gè)故障輸 出端子 經(jīng)低速光耦隔離后 , 再經(jīng)與非門送至 JK 觸 發(fā)器 , 從而達(dá)到鎖存故障信號(hào)的目的。鎖存器的負(fù) 端輸出信號(hào)接收發(fā)器 74HC245的使能端 , 當(dāng) IPM 有 故障時(shí) , JK 觸發(fā)器的 J 端子為低電平 , 其負(fù)輸出端 就為高電

17、平 , 收發(fā)器的輸出被置為高阻態(tài) , 封鎖各個(gè) IPM 的控制信號(hào) , 關(guān)斷 IPM , 實(shí)現(xiàn)保護(hù)。待故障解除 后 , 控制器發(fā)送故障清除信號(hào) FAULT_CLR 至 JK 觸 發(fā)器 , 即可重新使能 74HC245, 使 IPM 正常工作。 由于本保護(hù)電路是基于 PM25RLA120設(shè)計(jì)的 , 該 IPM 模塊發(fā)生短路保護(hù)的動(dòng)作電流值為 50A , 實(shí) 際應(yīng)用中 , IPM 工作時(shí)可能達(dá)不到 50A 就應(yīng)該封鎖 IPM 的控制輸入信號(hào) , 所以本電路還設(shè)計(jì)了過流保 護(hù)功能。如圖 4中的虛線框 1內(nèi)所示 , 在 IPM 的負(fù) 母線端串接一霍爾電流元件來檢測(cè)母線上的電流 , 其輸出量為電壓 ,

18、當(dāng)母線上的電流超過實(shí)際應(yīng)用中 的動(dòng)作值時(shí) , 比較器輸出高電平 , 再串接一反相器 , 當(dāng)發(fā)生過流時(shí) , OC 端也輸出低電平 , 與 IPM 的 4個(gè) 故障信號(hào)與非后一起送 JK 觸發(fā)器的輸入端。 3.2IPM 保護(hù)電路的軟件實(shí)現(xiàn)IPM 有故障時(shí) , IPM 的故障輸出端子輸出為低 電平 , IPM 的 4個(gè)故障輸出信號(hào)通過高速光耦送至 與非門再傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行處理 , 處理器確認(rèn)后 , 利用中斷或軟件關(guān)斷 IPM 的 PWM 控制信號(hào) , 從而 達(dá)到保護(hù) IPM 的目的。圖 3IPM 驅(qū)動(dòng)電路和外圍隔離電路Fig.3Drive and peripheral isolated circuit

19、 of IPM59 圖 4IPM 硬件保護(hù)電路Fig.4Hardware protective circuit of IPM以上 2種方案均利用 IPM 故障輸出信號(hào)封鎖 IPM 的控制信號(hào)通道 , 軟件保護(hù)不需要增加硬件 , 簡 便易行 , 但可能受到軟件設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)故障的影響 ; 硬件保護(hù)則反應(yīng)迅速 , 工作可靠。應(yīng)用中軟件與硬 件結(jié)合的方法能更好的彌補(bǔ) IPM 自身保護(hù)的不足 , 提高系統(tǒng)的可靠性。4IPM 在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 在數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)項(xiàng)目中 , 選用三菱公 司的 PM25RLA120作為功率變換器的主開關(guān)器件 , 控制器采用 TI 公司的 TMS320LF24

20、07A 數(shù)字信號(hào)處 理器 , 被控電機(jī)為 PMSM (永磁同步伺服電機(jī) , 該電 機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 3600r/min , 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如 圖 5所示。功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入 (即 IPM 的控制信 號(hào) 由 TMS320LF2407A 事件管理器 A 的全比較單 元相對(duì)應(yīng)的 PWM1.PWM6產(chǎn)生。其中功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)部分采用圖 3和圖 4所示 的驅(qū)動(dòng)保護(hù)方案 , 由于 TMS320LF2407A 的事件管 理器 A 包括一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳 PDPINTA , 當(dāng)該引腳被拉低時(shí) , 所有的事件管理器輸出引腳均 被硬件設(shè)置為高阻態(tài) 3, 因此 PDPINTA 可用來作為 監(jiān)控程序或硬件電路 , 提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)的異常情況 , 并 實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。如圖 4所示的虛線框 2內(nèi) , 將 JK 觸發(fā)器的負(fù) 輸出端子接至 PDPINTA 引腳 , 由 DSP 的事件管理 器模塊來關(guān)斷 PWM 信號(hào)的輸出 , 也可實(shí)現(xiàn) IPM 的 硬件保護(hù)。若該功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷被使能 , 可在中 斷服務(wù)程序中再次屏蔽 IPM 的輸入信號(hào) , 從而在軟 件上實(shí)現(xiàn)保護(hù) IPM 的目的 , 并向上位機(jī)發(fā)送故障信 息 , 通知用戶。此伺服系統(tǒng)提供了位置、 速度和電流環(huán)控制 , 通 過通訊接口與上位機(jī)通訊 , 用戶可通過