【电力期刊】IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中.pdf

第2 7卷第5 期 函2 0 0 7 年5 月 电 力 由 动 化 议 备 E l e c t ri c P o w e r A u t o m at i o nE q u i P m e n t Vo l . 2 7No . 5 M 叮2 0 0 7 IPM智 能功率模块 电路设 计及其 在有源滤波器装置中应用 袁 涛， 郑建勇， 曾 伟， 康 静 ( 东南大学 电气工程系， 江苏 南京 210 0 %) 摘要: 智能功率 模块I p M ( I n t e l l i g e n t p o w e r M o d u l e ) 功能完 善， 可靠 性高， 具有集 成度高、 体积小的 特点。 在有源电力滤波器装置中 使用IP M可以简 化装置的主电 路， 提高系 统整体可靠性。 IP M电 路 设计主要包括驱动电路部分、 缓冲吸收电路部分以及保护电路部分。 IPM驱动方案由驱动电源和光 藕接口 电 路组成， 根据模块的 设计 要求， 给出了 一种典型的高可靠 性的IP M外部驱动方案。由于关 断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压的存在， IP M上会产生过电压， 必须设计相应的缓冲吸收电 路， 来 减少 开关 损耗， 充 分 利用 功率器 件的 功率 极限 。 通 过分 析3 种常 见的 缓冲电 路， 给出了 相应的 适用范围。 IPM保护电 路由模块内 部的保护电 路和外围 辅助保护电 路组成， 外围 保护电 路的设计基 于时I P M故障信号的处理。 通过使用IP M构建有源滤波器的逆变电路， 分析了其在有源滤波器 装置中的应用。 关键词: 智能功率模块;电路设计; 有源滤波器 中图分类号: T N 7 1 3文献标识码: B文章编号:1 0 0 6 一 6 0 4 7 ( 2 0 0 7 ) 0 5 一 0 0 8 8 一 0 3 由绝缘栅双极型晶体管( IGB T)单元构成的智能 功率模块I P M ( I n t e l l i g e n t P o w e r M o d u l e ) 具有集成 度高、 体积小的特点， 其内部不仅封装了门极驱动控 制电路， 而且还有故障检测电路和各种保护电路， 能 实现过热保护、 过流保护、 短路保护及控制电源欠压 保护等功能l 一 2 。 研究了IPM的电路设计， 并分析了 IP M在有源电力滤波器( A P F)装置中的应用。 电 路可以提供4 种保护功能: 过流保护O C 、 短路保护 S C 、 欠压保护U V和过热保护O H 4 。如果I P M模块 中有一种保护电路动作， IGB T 栅极驱动单元就会关 断门极电流并输出一个故障信号F o 。 I I P M智能功率模块特点 IP M由高速、 低功率的I G B T 芯片和优选的门级 驱动及保护电路构成， 因此具有开关速度快、 功耗低 的特点。IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件简 单、 可靠， 缩短了系统开发时间， 也提高了故障下的 自 保护能力3 。模块中每个IGB T的驱动电路设计了 最佳驱动条件。与普通IGB T 模块相比， IP M在系统 J性 能及可靠性方面都有进一步的提高。 IP M内部功能框图如图1 所示， IPM内建的保护 图 II P M的 内部功 能框 图 F i g . lB l o c kd i a g r a mOfI P M i n t e m a l fu n c t i o n s 收稿日 期: 2 0 0 6 一 0 5 一 1 1 ; 修回日期: 2 (X)6 一 0 8 一 1 8 Z IPM电路设计 IP M电路设计主要包括驱动电路部分、 缓冲吸 收电路部分以及保护电路部分。 2 ， 1 驱动电路部分 驱动电路是 IPM主电路和控制电路之间的接 口， 良 好的驱动电路设计对装置的运行效率、 可靠性 和安全性都有重要意义。 以P M75R S E1 20为例， 这 是一种R型的IP M， 内部封装了7 个IGB T ， 工作在 1 2 00V / 7 5 A条件以下， 功率器件的开关频率最大为 Z o k H z 。由于I P M内置了驱动电路， 和I G B T 驱动电 路设计相比， 外围驱动电路的设计比 较方便， 重点在 于驱动电源和光藕接口电 路的设计。 IP M对驱动电 路的 输出电 压要求严格， 具体如下: a . 驱动电压的范围为( 1 士 10%) x lsv ， 电压低 于13.5v 将发生欠压保护， 电 压高于16.5v将可能 损坏内部部件; b . 驱动电压相互隔离， 以避免地线噪声干扰; c . 驱动电源绝缘电压至少是 IPM极间反向耐压 值的2 倍; d . 驱动电流可以参考器件给出的20 k H z 驱动 电流要求， 根据实际的开关频率加以 修正; e 。 驱动电流输出端滤波电容不能太大， 因为当 寄生电容超过10 0 p F 时， 噪声干扰将可能误触发内 万方数据 第 5期袁涛， 等: IPM 智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用 函 部驱动电路。 IP M接口电 路须采用光藕， 光藕输出脚和I p M引 脚之间的走线应尽量短， 要采用具有高共模抑制比 的高速光藕5 。 由于初、 次级间常加有大的d u / dt， 所以初、 次级布线不要太靠近以减少祸合电容。 高速光祸的规格要求为 K 、= 天 c 阅 1 5 k v / 林 5 或1 0 k V / 林 5 t 既= t 朋 1 5% 其中， K ， 为光祸输出保持高时所能承受的最 大共模电压上升率; K 、为光藕输出保持低时所能 承受的最大共模电压下降率;t 、为光祸下降沿延 时; t 。为光祸上升沿延时; A 二为光藕电流传输比。 图2 所示为一种典型的高可靠性的IPM外部驱 动方案。光藕输人用的ro协 F 和0 . 1 林 F 滤波电容 C ， 、 几主要是保持控制电压平稳和修正线路阻抗的 稳定。控制信号输人端与V cc端应接20 k 几的上拉 电 阻R ， 上桥臂控制电 路由巧v 直流电 源 分别供电， 而下桥臂共用一路电源。 从正 ， 而导致其损坏。因此， 为保护IGB T 必须采用缓 冲吸收电路， 缓冲吸收电路可以用来控制I G B T 等功 率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电 压， 减少开关损耗， 充分利用功率器件的功率极限7 。 图4 中为3 种常用的缓冲吸收电路。图4 ( a)电 路用二极管钳住瞬变电压， 抑制谐振， R C时间常数 应为开关周期的1 /3。 图4 ( b)电 路采用P 型R C D 和N 型R C D构成的缓冲电路， 其回路电感最小， 适用于 大功率模块、 大电流应用场合。图4 ( c ) 电路能有效 控制瞬变电 压、 寄生振荡及噪音， 不过高频应用欠佳。 油阁 完需 图 4I P M F i g .4B u ffer a n d 2.3 保护电路部分 在功率驱动电路中 缓冲吸收电路 a b s o thc i rcu i to f ( c ) I P M 保护电路是必不可少的 驱动 信号 1 。控 !。 内 土 。 土 。制 犷一 工万“甲 丁 哟 丁 训端 不 下 1 半. 广 一 一一子 一逛 少 一 人 善的系统保护不能只依靠 IPM的内部保护功能 图ZI P M外部光藕驱动电路 F i g 2E x t e rn a l o p t i c ald ri v ec i r c u i t o fI P M 2. 2 缓冲吸收电路部分 IPM产生过电压的原因主要是存在关断浪涌电 压和续流二极管恢复浪涌电压。关断浪涌电压是在 关断瞬间流过IGB T的电流时产生的瞬态高压， 当续 流二极管恢复反向阻断能力时会产生与关断浪涌电 压 相 似 的 浪 涌 电 压 6 。 如 图3 所 示， 上 桥 臂 的IG B T 开通时流过感性负载的电流人 不断增加， 关断时负 载电流不会突变， 通过下桥臂的续流二极管VnZ 导 通。如果电流是理想状况， 没有寄生杂散电感的影 响， 则上桥臂I G B T 集射电压UcE 将上升， 直到比母 线电压认高出一个二极管的压降值， 随后续流二极 管的导通防止电压进一步增加。但在实际电路中， 线路上总会存在着寄生杂散电感， 在图中用L ， 模拟 现在寄生杂散电感的影响。当上桥臂IGB T关断 时， L 。 阻止负载电流向V D : 切换， 在其两端产生电压 Us二 L 。 ( d i / d t ) ， 它和直流电源母线电压叠加并以浪 涌电压的形式加在上桥臂I G B T 两端。在极端情况 下， 该浪涌电压会超过IGB T最大集射极间电压 要辅助外围的保护电路闭 。IP M内部的保护电路在 IPM发生故障时会通过故障输出引脚输出一个故障 信号， 外围的保护就是基于对故障信号的处理。 如图5 所示， 在IP M接口电路前置一个带控制 端的三态总线收发器74 H C2 45。IPM的控制信号 通过7 4 H C2 45 输出到光祸接口电路。IPM的故障 输出信号经过光藕隔离输出， 进人4 输人端或门， 或 门输出通过一组R C低通滤波器以消除开关噪声的 影响， 然后接到74H C 2 45的使能端而。IP M正常 工作时， 或门输出为低电 平， 选通74H C 2 45， 控制信 号进入到接口电路。当IPM故障发生时， 或门输出 为高电平， 7 4H C2 4 5 输出为高阻状态， 从而封锁 IP M的控制信号， 关断IP M， 起到了保护作用。 输 出 图SI P M外围保护电路 F i g . SE x t e ma l P ro t e c t i v ec i rc u i t o f I P M 认十 尸丫 . 丫内r . 、 - L 。 门门 一 L J l l ，U ee L 图 3线路杂散寄生电感对 IPM的影响 Fi g 3I m p a c t o f s t ra yp a ra s i t i ci n d u c t i o no nI P M 3 I P M在 A P F中的应用 随着电力电子技术的不断发展， 越来越多的电力 电子装置被广泛应用于各种领域， 这些电力电子装 置向电网注人了大量谐波， 从而造成电网功率因数 低下、 设备运行效率降低以及配电变压器过热。传 统的抑制谐波与无功补偿方法是采用无源滤波器， 这些无源滤波器采用电感与电容元件， 具有诸多缺 点: 体积大， 滤波特性受系统参数影响较大， 补偿性 能差， 仅能抑制固 定次数的谐波9 。 谐波抑制的一个重要趋势是采用A P F 。 作为一 !.!土甲 玩 万方数据 函 电 力 自 动 化 议 备第 2 7卷 种可动态补偿谐波、 无功及负序电流等的电力电子装 置， A PF可实时检测出需要补偿的谐波、 无功及负序 电流等分量， 产生补偿电流与其相抵消， 使得流人电 网的电流可按需要成为三相对称的正弦波， 并可按 需要控制功率因数。与无源滤波器相比， 它具有高 度可控制和快速响应特性， 能跟踪补偿各次谐波、 自 动产生所需变化的无功功率， 并不受系统参数影响。 A P F 的核心部分是其逆变电 路， 通过逆变电路将 整流后的直流电压进行逆变， 产生所需要的补偿电 流， 从而达到 跟踪补偿各次谐波的目 的。 采用IP M 构建有源滤波器的逆变电路， 简化了电路和控制方 式， 极大程度地提高了有源滤波器的性能和系统的稳 定性。A P F 的硬件构成如图6 所示。 系统电源 图6有源滤波器硬件构成框图 F ig 6H a rd w a rec o n l p o o i t i o no f ac t i v ep o w e r fi lt e r 图中， A P F的逆变电路由智能功率模块P M75 R S A12O 构成， 其内部有7 管I G B T ， 集成了三相逆 变桥电路， 直流侧采用4 7 0 0卜 F / 4 5 0v的电解电 容提供直流电压。为了维持直流侧电容上的直流电 压在允许的范围内， 本系统在逆变桥基础上反并联 续流二极管组成整流桥电 路供电， 省去了 直流电源。 为保证功率器件有较高的开关速度， 系统采用 A R M+ D S P的双 C P U方案。A R M控制器选用了 A T M E L 公司的A T glR M9200芯片， 该芯片运行速 度快， 并集成了丰富的外设功能。A R M控制器主要 进行数据的预处理， 包括采样和进行A / D转换、 控 制液晶和键盘以及和外部的通信任务， 同时负责外 部开关状态的检测及控制任务。D S P 部分采用了Tl 公司的 16位快速定点运算型芯片T M S 3 2 0 L F 2407， 主要负责系统中信号处理， 包括数字滤波、 谐波电流 的检测、 补偿电流的计算等， 同时产生高速P w M输 出脉冲。 2 个芯片间通过双端口R A M交换数据。 A P F 装置中采用的是单桥路控制电路， 只用到 1 个IP M， 有6 个控制点。如果采用多重化结构并使 用多个IP M串 联或并联工作， 会得到更多的控制点， 输出波形会更好。 其相关电路的设计方法， 就能构成完善的智能功率 控制系统。在A P F 装置中使用IP M， 简化了电路的 设计， 减少了系统环节， 可大幅度提高系统的可靠性。 参考文献: 【 1 鄂飞， 程汉湘， 朱约章， 等. IP M模块在配电 用静止无功补偿器中 的 应用仁 J . 电 气应用， 2 005 ， 2 4 ( 1 0 ) : 4 0 一 4 3 . EFei ， C H E N GH an一 x i a o 9 ， Z H UY u e 一 z h a n g ， e t al ， A P 讨 i c at i o nof a nl l M i nd i s t ri b u t i o ns t a t i 。v ar c o mpe n s a t o r J E l e c tro - t e c h n i c alA P p l i c a t i o n ， 2 (X)5 ， 2 4 ( 1 0 ) : 40一 4 3 . 2 黄挚雄， 李志勇， 危韧勇， 智能功率模块I G B T 一 IP M及其应用J . 电气传动自 动化， 2 002 ， 24(2) : 1 9 一 21 H U A N G Z h i 一 x i o n g ， LI Z h i 一 y o n g ， WE IR e n 一 ”n g .I n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l eI G B T 一 I P Ma n di t s 叩p l i c at i o n J . E l e c t ri c alD ri v e A u t o m a t i o n ， 2 0()2 ， 2 4 ( 2 ) : 1 9 一 2 1 . 3 李广海， 叶勇， 蒋静坪， IP M驱动和保护电路的研究仁 JI. 电子技 术应用， 2 0 0 3 ( 1 2 ) : 4 0 一 4 2 L IGua n g 一 h al ， Y EYOn g ， JI A N GJ i n g 一 p i n g . Thes t u d yofd ri v e c i rc u i t a n dp ro t e c t i v ec i rc u i t ofl p M J . A p p l i c at i o nofE l e c - t r oni cTec h n l q u e ， 2 0 0 3 ( 1 2 ) : 4 0 一 4 2 . 4 王晓明， 杨秀艳， 董玉林 智能功率模块IP M故障信号的处理方 法 J . 辽宁1学院学报， 2 (X)5 ， 2 5 ( 2 ) : 9 5 一 9 6 . WA N GX i a o 一 m i n g ， Y A N GX i u 一 y a n ， D O N GY u 一 l i n . 1 从 c e s s i n gof fa u l t s i 即a l s for i ntell i 罗 。 t p awermod u l e t j l ， J oum alofb a o n i n g I n s t i t u t e ofT e c h n o l o 罗， 2 0()5 ， 2 5 ( 2 ) : 9 5 一 9 6 . 5 谭甜源， 罗安， 唐欣， 等. 大功率并联混合型有源电 力滤波器的 研 制上 J. 中国电 机工程学报， 2 (X4 ， 2 4 (3) : 41一 45. T A NT i a n 一 yUan， L U OA n ， T A N GX i n ， e t al . D e v el o p *n t ofh i gh 一 c a p a c i t y h y b ri dp owe r fi l t e r J . P r ( ，c e e d i n g s o f t h eC S E E ， 2 以 科， 24( 3 ) : 4 1 一 4 5 . 仁 6夏向阳， 曾品昭， 罗安， 等. 有源滤波器采用智能功率模块的吸收 电路研究 J l高电压技术， 2 005 ， 3 1 ( 1 0 ) : 6 1 一 6 3 _ X I AX i ang 一 y an g ， z E N GZ h e 一 z h a o ， L U OA n ， e t al . Pr o t e c t i o nan d a b s o 印 t i o nc i rc u i tfo ra c t i v ep owe rfi l t e rb a s e do ni n t e l l i 罗 n t p o w e r m o d e l J . H i g hV o l t 铭 e E n gi n e e ri n g ， 2 0()5 ， 3 1 ( 1 0 ) : 6 1 一 6 3 . 7 1 李从飞， 陈凡， 刘涤尘 IP M使用过程中若干问题的研究t J I ， 电气应用， 2 0()5 ， 2 4 ( 1 0 ) : 9 8 一 l 0(). ll C o n g 一 fe i ， C H E NF a n ， L I UD i 一 c h e n . Thes t u d yofs o m eq u e s - t i o n sm e ti nc o u rs eo f u s i n gI P M mod u l e J . E l e c t o t e c h n i c al A P Pl i c 歌 i o n ， 2005， 2 4 ( 1 0 ) : 9 8 一 1 0()， 8 陈军平， 杨国 辉， 钟川桃 基于智能功率模块P M 30R s F 0 60的驱 动和 保护电 路设计 J. 长沙航空职业技术学院学报， 2 0 05， 5 ( 3): 3 5 一 3 8 . C H E N J u n一 p i n g ， Y A N G G u 。 一 h u i ， Z H O N G Chu 助 一 t 助.The d e s i 罗 of卫 ri v ec i rc u i ta n dp ro t e c t i v ec i rc u i tb a s e do nI P M p M 3 0 R S F06 0 J J o u rn a lo fC h ang s h aA e ro n a u t i c alV o c at i o n al andTec h n i c alC o l l e g e ， 2 (j05 ， 5 ( 3 ) : 3 5 一 3 8 仁 9 赵国生， 吴智富， 章玉政 基于D sP 技术的单相有源滤波装置 J . 郑州大学学报: 工学 版， 2 以 4 ， 2 5 ( 2): 6 6 一 69. Z H A O Gu。 一 s h e n g ， W U Z h i 一 fu， Z H A N G Y u 一 z h e n g .S i n gl e 一 P h as ea c t i v ep owe r fi l t e r b as e do nD S pt e c h n o l o 群 J . J o u m al o fZ 卜 e n 邵 h o u U oe rs i t y : E o gi neerin g E d i ti on， 2 0( )4 ， 2 5 2 ) : 6 6一 6 9 . ( 责任编辑: 康鲁豫) 作者简介 袁 涛( 19 8 2 一 ) ， 男， 江苏常州 人， 硕士研究生， 主要从事 4 结语 IP M应用广泛、 功能完善、 可靠性高， 只要注意 电力电 子方面的研究( E 郑建勇( 1 9 6 6 一 ) ， 男 一 m a U : y t z h i m a 1 6 3 c o m ) ; ， 江苏南京人， 系副主任， 教授， 研究 方向为电力电子与电力传动。 万方数据 第 2 7 卷第5 期 2 0 0 7 年5月 电 力 自 动 化 议 备 E l e c t ri c P o w e r A u t o m at i o n E q u i P m e n t Vo l . 2 7No . 5 M 叮2 0 0 7O 三相偏磁桥路型限流器控制系统研制 窦会明， 蔡旭， 金之俭 ( 上海交通大学 电气工程系， 上海 2 0 0 240) 摘要:设计的三相限流器控制系统由3 个单相偏磁桥路型限流器、 3 个限流电杭器、 励磁电源系统及 电网运行状态监测系统组成， 采用以2 个数字信号处理器( D S P)为核心处理器的控制器， 一个主要 负 责为偏磁桥路型限流器 提供励磁电流; 另一个主要负 责监测电网电流、 电压， 实时采集电流、 电压 数据， 当 发生短路故障时及时作出 判断， 并通过C A N总线将控制参数发送给励磁控制器。分析了系 统的工作原理， 给出了 三相控制系统的硬件、 软件设计方案， 并为控制系统的偏磁桥路型限流器设 计了 可以克服偶倍频反电势的基于D S P 和现场可编程门阵列( F P G A ) 的数字励磁控制器。 在所研制 的3 8 0 V / 1 5 0 A 、 最大故障限流1 0 0 0 A的偏磁桥路型限流器试验样机上进行了 各种短路试验， 试验 结果表明所设计的控制系 统软、 硬件方案可行有效。 关键词: 偏磁桥路型限流器; 励磁电流; 短路故障 中图分类号: T M4 7 1 ; T P 2 7 3文献标识码: B文章编号:1 0 0 6 一 6 0 4 7 ( 2 0 0 7 ) 0 5 一 0 0 9 1 一 0 5 随着电力系统容量和规模不断扩大， 输配电系 统的短路电流不断提高， 短路故障对电力系统及与 其相连的电气设备的破坏性也越来越大， 故障限流器 ( FcL)不仅能限制电 力系统发生故障时所产生的短 路电流， 还能提高电力系统暂态稳定。现阶段限流 器的研究主要分为固态限流器和超导限流器川 。上 海交通大学电气工程新技术研究室按照结构简单、 性能可靠的原则， 提出了偏磁桥路型限流器方案。偏 磁设备由于其固 有的优良 特性而得到推广应用2 一 ， 。 偏磁桥路型限流器吸收桥路型限流器的优点， 用偏磁桥路取代二极管桥路， 并且偏磁电源处于电 网二次侧， 该方案不受现有材料和元器件的限制， 是 一种经济实用的限流器。如何为其提供实时、 可靠、 稳定的励磁电流是一个难点， 控制系统的抗干扰能 收稿日 期: 2 0 0 6 一 1 1 一 1 4 ; 修回日 期: 2 0 0 6 一 1 2 一 1 1 力和稳定运行是保障偏磁桥路型限流器可靠限制电 网故障电流的基础。 在分析偏磁桥路型限流器结构特点及其在不同 运行模式下的工作原理的基础上， 提出切实可行的 三相偏磁桥路型限流器控制系统软件、 硬件实现方 案， 所 研 制的 控 制系 统在3 80v / 1 5 0 A的 偏 磁 桥路型 限流器试验样机上进行了试验验证， 取得满意效果。 1 三相偏磁桥路型限流器结构及工作原理 三相偏磁桥路型限流器系统由3 个单相偏磁桥 路型限流器、 3 个限流电抗器L 、 励磁电源系统及电 网运行状态监测系统组成。 3 个单相偏磁桥路型限 流器分别串联在电网的A 、 B 、 C 三相中。 励磁电源系统由3 个三相全控整流桥和励磁控 制器构成。励磁控制系统为3 个单相偏磁桥路型限 流器的偏磁线圈提供励磁电流。电网运行状态监测 C i r c ul td e s i gn o f 1 P M a n di tsa P P l i c a ti o ni nA P F Y U A NT a o ， Z H E N GJ i a n 一 y o n g ， Z E N GWe i ， K A N GJ i n g ( D e p a rt m e n t o f E l e c t ri cE n g i n e e ri n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， A b s t r a c t : I P M( I n t e l l i g e n tP owe rM o d u l e )h a sp e 吮c tfu n c t i o n s ， N a nj i n g2 1 0 0 9 6 ， C h i n a ) h i g hr e l i a b il i t y ， h i g hd e n s i t y s mall c i rcu i t c i r c u i t c u b a g e . T h ea P P l i c at i o nofI P M i nA P F ( A c t i v eP o w e rF i l t e r )e q u i P m e n t m ay s i m p l i fyi t s a n d 1 l l al n a n d a n d I nCr eas e C l f C Ul t P r o t e c t 1 V e o v e r a l l C l