IPM变频模块产品技术发展环境分析(立项申请)

第一节 IPM变频模块产品基本生产技术、工艺或流程

IPM智能功率模块是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动以及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的、有电流传感功能的IGBT芯片，从而可实现高效的过流保护和短路保护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压锁定保护电路，因而系统的可靠性得到了进一步提高。

一、IPM智能功率模块的优点

使用智能功率模块可以使生产厂家降低在设计、开发和制造上的成本。与普通的IGBT相比，在系统性能和可靠性上有进一步的提高。由于IPM集成了驱动和保护电路，使得用户的产品设计变得相对容易，并能缩短开发周期；由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，因而系统尺寸也减小；所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅极控制接口，在产品系列扩充时无需另行设计电路。IPM在故障情况下的自保护能力，也减少了器件在开发和使用中过载情况下的损坏机会。

二、IPM智能功率模块安全工作区

IPM内置的栅极驱动电路和保护电路可以对许多违反IGBT模块安全工作区（SOA）的运行模式加以保护，智能功率模块的开关安全工作区和短路安全工作区定义概述如下：

开关安全工作区：

开关（关断）安全工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流。对于IPM，内置栅极驱动取消了因不正确的栅极驱动而造成的许多电压和电流的危险组合，此外，最大工作电流受过流保护电路的限制。根据这些限制条件，开关安全工作区可用图1中的波形来定义，只要主电路直流母线电压低于数据手册中的Vcc(port)指标，每个IPM功率单元的C-E间关断瞬时电压低于VCES指标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，IPM将会安全工作。波形中的IOC是IPM的过流故障不会动作的最大允许电流。换句话说，它正好处在OC动作数值以下。该波形定义了硬关断操作的最坏情况，当电流高于OC动作数值时，IPM将关断该电流。

短路安全工作区：

图2是一个典型的短路运行波形。标准测试条件用最小阻抗短路来产生流过该器件的最大短路电流。在测试中，短路电流（ICS）只受器件特性的限制，只要主电路直流母线电压低于Vcc(port)规定值，每个IPM功率单元的C-E间所有瞬时电压低于VCES指标，Tj小于125℃，控制电源电压在13.5V和16.5V之间，对于非重复性的短路，IPM保证不会损坏。波形显示了IPM为了减低浪涌电压而使用的软关断。

三、IPM智能功率模块的自保护功能

自保护特点：

IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏的情况。内置保护功能的框图如下图所示。如果IPM模块其中有保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故障信号（FO）。

IPM内置保护功能框图

控制电源欠压锁定：

内部控制电路由一个15V直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作数值（UV），则该功率器件将被关断并输出一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于规定的tdUV，则不影响控制电路工作，欠压保护电路也将不工作。

保护后，要恢复正常工作，电源电压必须超过欠压复位数值（UVr）。欠压保护电路在控制电源上电和掉电期间都要保持工作。

过热保护：

在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装温度传感器。如果基板温度超出过热动作数值（OT），IPM内部控制电路将截止栅极驱动，不影响控制输入信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。当温度回落至过热复位数值（OTr）以下，并且控制输入为高电平（关断状态），功率器件将接收下一个低电平（开通状态）输入信号并恢复正常工作。

过流保护：

如果流过IGBT的电流超出过流动作数值（OC）的时间大于toff(OC)，IGBT将被关断。

超过OC数值但时间小于toff(OC)的电流短脉冲并不危险，过流保护电路将不予处理。当检测出过电流时，IGBT将被软关断，同时输出一个故障信号。受控的软关断能控制关断大电流而发生的浪涌电压。

短路保护：

如果负载发生短路而导致上下臂同时导通，IPM内置短路保护电路将关断IGBT。如果流经IGBT的电流超出短路保护动作数值（SC），软关断立即启动并输出一个故障信号。为缩短SC检测与SC关断之间的响应时间，IPM采用了实时电流控制电路（RTC）。SC动作时，实时电流控制电路直接监测IGBT驱动的末级电路，因此响应时间可以减小到不足100ns。

四、IPM智能功率模块的驱动电路设计

驱动电路的要求：

一个低电平输入信号将使IGBT开通。典型地，IPM的输入脚被用一个连接到控制电源正侧的电阻拉高，把控制输入拉低则产生一个“开通”的信号。

故障输出信号FO表现为集电极开路，如果发生故障，开路集电极器件即行接通，故障输出脚从控制电源正端吸收电流。

接口电路设计中布线很重要。为避免dv/dt噪声耦合到控制电路，在布线中一定要仔细考虑：在上臂接口电路之间、上臂和下臂接口电路之间的寄生电感都会产生噪声的问题。

驱动电路的原理：

下图是用于空调机变频控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模块——PM20CTM060驱动电路的原理图。开关控制信号和故障信号是通过隔离接口电路同系统控制器连接的。TLP559的特点是开关速度高，每秒达1M次。TLP521则具有电流传输比（CTR）大的特点，CTR值达200，图中的R508是一个上拉电阻，它是确保在IPM智能功率模块没有故障时VFO的输出为高电平。

IPM智能功率模块驱动电路原理图

在使用IPM的设计中，4路15V电源的质量要求比较高，波动范围为15 V±10%，否则会影响IPM工作的可靠性。而隔离光耦的选择也十分重要，电流传输比（CTR）应在100~200之间，隔离光耦的输入端是TTL电平，其输入电流应设定为8~10mA。若设计不当，则会增加IGBT工作在放大区的时间，导致IGBT功耗增大，不能充分发挥IPM的效能。另外为了防止IGBT上下桥臂同时导通，软件设计时，在上下桥臂导通上设有死区时间（即互锁时间）。若硬件设计不当，则会导致所需死区时间延长，从而增加IPM三相输出的高次谐波成分，致使压缩机运行振动增加，效率下降。

五、驱动电路印刷电路板的设计

驱动电路印刷线路板丝印面见图5。IPM智能功率模块的驱动电路印刷电路板采用带金属化孔的双面PCB板制作，在设计中注意考虑以下三点：

驱动电路印刷线路板丝印面图

1、不应把因IPM开关时容易引起电位变化的走线布得太近，因为高的dv/dt会通过寄生电容耦合噪声；信号线与电源线不要平行走线，以防互相干扰。

2、光耦合器的输出脚和IPM输入脚之间在PCB上走线应尽量短，小于2~3cm，因为长的走线容易拾取电路其它部分的噪声。

3、电源上用的滤波瓷片电容应尽量靠近相应的IPM引脚。在本设计中这四个电容（C505~C508）选用的是低感退耦电容，并直接焊接在IPM相应的引脚上。

六、IPM模块的静电防护

带静电的人体或其它过大的电压施加到栅-源（或发射极）上可能毁坏芯片。抗静电的基本措施就是尽量阻止静电的产生并尽快将电荷释放掉。

在焊接IPM智能模块时，应保证烙铁头良好接地，烙铁温度应控制在330℃～350℃温度范围内，焊接时间小于10s；在电控箱体的装配过程中，应将测试设备和人体良好接地，推荐在工作台和周围的地板上铺放导电毯，并将之接地。

第二节 IPM变频模块产品新技术研发、应用情况

由日本三菱电机公司开发出的IPM系列产品，属于第三代智能功率模块。它采用第三代IGBT来代替传统的功率MOSFET和双极型达林顿管，并配以功能完善的控制及保护电路，构成了一种理想的高频软开关模块。这类模块特别适用于正弦波输出的变压变频（VVVF）式变频器中。

IPM系列产品的内部框图如下图所示。模块内部主要包括欠压保护电路、驱动IGBT的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。该系列产品配16位单片机后构成的通用VVVF变频器的原理图，如下图所示。

IPM系列产品的内部框图

通用VVVF变频器的原理图

近日，功率半导体专家国际整流器公司 (International Rectifier，简称IR)推出业界首个iNTERO可编程隔离式智能功率模块 (PI-IPM)，在单一封装内将功率平台整合到嵌入式驱动器板上，板上纳入一个可编程数字信号处理器。

这款业界集成度最高的PI-IPM功率模块，可提供完全集成灵活及高性能的解决方案，适用于高达15kW的三相、交流感应及直流无刷工业用及伺服电机。该模块降低了电机驱动器功率平台、相关控制及外围设备的设计时间、成本和风险。

新器件型号为PIIPM50P12B004，额定值为1200V和50A，内含三相逆变器功率平台所需的各种功率半导体器件及一个可编程40 Mips数字信号处理器，并具备电流传感、隔离、栅驱动器及功率平台保护功能，可直接与电机驱动器主机及输入平台接口。

新模块包括异步2.5 Mbps串行端口，兼容可扩展相干接口/IEEE 1596-1992 (SCI)、服务供应商接口 (SPI) 及控制器区域网络 (CAN)；同时设有“测试行动联合组织” (JTAG) IEEE 1149.1标准端口，用于数字信号处理器接口；亦配备隔离式串行端口，用于正交编码器或SPI通信的选通信号输入。方案内还设有基本应用指令集及开发工具。

经验证的集成解决方案避免了复杂功率系统开发过程中的成本及调度风险，让设计人员一开始便可准确掌握开发成本。iNTERO PI-IPM模块以单一组件取代130个元件，大大简化供应链物流，同时可节省其他系统成本，如离散封装、连线以及匹配功率平台和逻辑电路的成本。

PI-IPM模块专为伺服驱动的高性能要求而设计，通过高效率、坚固耐用的设计提供非常精确的电流反馈环路，且噪音极低，封装尺寸亦比传统设计小50%。模块中的电流反馈环路具有5kHz频宽，能以低速提供低转矩，避免不必要的轴颤或噪音问题。

新模块还配备领先的非穿通 (NPT) IGBT及先进的二极管技术，在直至20 kHz频率时有较低的电流拖尾效应及极低的功率损耗。同时，它可提供平直的安全操作区，并设有10微秒短路能力及极低的传导噪音。设计人员只需采用停滞时间低至500毫微秒 (比光耦合器快10倍) 的栅驱动集成电路，结合IGBT内降低了的电流拖尾效应，便可实现高达20kHz的开关频率。

新模块经精心设计，既可抑制噪音，亦能缩减电磁干扰 (EMI) 滤波器的尺寸，还包含用于IGBT di/dt控制的独立开/关栅驱动器输出。由于该模块采用集成结构及小巧设计，因此可将其设置在靠近电机的位置，减少连接器及连线数量，从而进一步降低噪音。由于噪音及功率损耗极低，控制部分可堆叠在功率平台之上。

PI-IPM模块融合了耐用的IGBT技术，同时为所有三相输入及直流总线提供欠压及过压停机保护，兼具击穿保护、输入和输出信号的匹配传播延迟功能，以及线对线和接地失误的全面保护。该模块也能在强制性系统停机前，监测电机绕线或缆线连接的绝缘损耗。综合各项先进功能，使PI-IPM模块成为市场上最坚固耐用的设计之一。

第三节 IPM变频模块产品技术开发热点、难点 分析

智能IPM模块问世已有十年之久，目今有110KW的模块，可供变频器选用。它是先进的混合集成功率器件，将IGBT、驱动电路、保护电路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和优化门极驱动及保护电路，欠压锁定，用电流传感功能芯片，对过流和短路保护，更为优越的，整体的可靠性大为提高。IPM有四种电路形式：单管封装（H），双管封装（D），六合一封装（C），七合一封装（R）。由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，可使散热器减小，因而整机尺寸亦可减小，又有自保护能力，减低了在开发和使用中过载情况下损坏的机率，国内外55KW以下的变频器多数采用IPM模块，亦是理所当然的。结温还是125℃，栅控13.5-16.5V之间，就可安全地工作。IPM有：短路保护（SC），过流保护（OC），欠压保护（UV），过热保护（OT），过压保护（OV）等较完全的。

1、变频专用功率集成模块PIM

最近5年内问世的，专供变频器主电路使用的综合集成功率器件。例德国慕尼黑TYCO公司生产的2.5-66A 1200V系列，4-75A 600V系列，它包含了单相/三相输入整流桥 制动单元（或PFC功率因数单元） 六单元IGBT NTC温度监测。但不包括驱动电路。有的专业厂例富士等将整流、制动、IGBT、保护、驱动、控制全部一体化集成模块，那样使用更方便、安全、可靠。其特点是：

A、集成全部器件及电路；B、体积小，功率大，损耗低，较稳定；C、优化内部布线，减少寄生噪音；D有完全的自保护电路，具有快速、灵敏；E、唯一不足的是当其中有一个器件坏时，将造成整体的报损，它不同于分离方式模块，只局限于损坏的更换就可。

2、对IGBT的Vge与Vce的加压次序

众所周知变频器内部的测量电路、保护电路、驱动电路、转换电路、隔离电路、CPU、栅极电路等，所用的电子器件，例TTL、COMS、运放、光耦等都由开关电源提供所需的不同电压值，对IGBT来讲Vge是由开关电源提供±5-15V电压，但Vce是由主电路经三相整流桥滤波后的DC电源（P N ）提供的，为确保IGBT的使用安全及误导通，故对Vge与Vce加电压次序有要求。必须是先加Vge且待稳定后（截止偏压-15V，导通偏压 15V），再可加Vce。切莫当G极悬空或未稳定时就加Vce（几百一千伏），因为Cgc极间的耦合电容就可将IGBT误导通，以致过高的dv/dt造成电击穿而损坏。为避免上述现象的发生一般用延时电路方法，使Vce延时Vge约0.2秒，这样大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更应注意的。

第四节 IPM变频模块产品未来技术发展趋势

为适应计算机、通讯、空间技术以及各种大容量的工业电力变流装置和电动机驱动要求，为了提高产品在市场上的竞争力，在IPM的基础上开发出高集成化，智能化，标准化，并适合各种不同用户应用要求的用户专用功率模块（ASPM），它是把变流装置所有硬件尽量集成在同一芯片上，如把逆变装置的整流器，逆变器的IGBT和FWD，制动IGBT以及快速二极管集成在一个芯片上，使之不再有额外的引线连接。目前市场上已大量供应作小功率电机控制用的0.1kW到1.5kWASPM模块，一台7.5kW电机变频装置ASPM模块，其体积仅为600mm×400mm×250mm,从而达到体积小，重量轻，装置成本低，寄生电感小，并大大提高高频变流装置的可靠性，21世纪被称作“Allinone”的ASPM模块将越来越普及。但是，技术上要把几百安、几千伏的电力半导体器件与逻辑电平仅为几伏、几毫安的集成电路集成在同一硅芯片上将非常困难。然而采用混合封装形式的集成电力电子模块（IPEM）将非常合适和经济，三维多层结构的集成技术，可大大扩大IPEM的功率范围，图9为分层多芯片IPEM结构图。图9中IGBT等器件制成可安装的管芯形式，它们被安装在具有高导热率且绝缘的衬底板上，利用独特的电通路来实现各器件的互联。IPEM的控制电路，栅极缓冲器，电流和温度传感器，电平位移电路和保护电路，都利用表面贴装元件安装在已烧制好的普通陶瓷片上，一个微处理控制器与IPEM接口，提供所需的控制功能，这种以高集成度为特色的混合结构，结合无源元件的电磁集成，采用新型材料、热控技术以及谐振软开关技术所制成的IPEM为新世纪电力电子技术的发展开辟了新途径。

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