新型智能功率模块(ASIPM)的功能及应用- .pdf

M 新型智能功率模块 A S I P M 的 功能及应用 大连光洋科技工程有 限公司 辽宁1 1 6 6 0 0 丁云飞 大连市节能监察支 队 辽宁1 1 6 0 1 3 徐慧 勇 智能化的发展是系统智能集成 S I P M 即将电 源电路 各种保护以及 P WM控制 电路等集成在一个 芯片上 制成一个完整 的功率变换器 I C 集成电力 电子模块 I P E M 是将驱动 自动保护 自诊断功 能的 I C与电力电子器件集成在一个模块 中 由于不 同的元器件 电路 集成电路的封 装或相 互连接 产 生的寄生参数 已成为决定 电力电子系统性能的关键 所以采用 I P E M方法可减少设计工作量 便于生产 自 动化 提高系统质量 可靠性和可维护性 缩短 设 计周期 降低产 品成本 为此 新型智能功 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 应运而生 三菱智能 功率模块 I P M I n t e l l ig e n t P o w e r Mo d u l e s 是先进 的 混合集成功率器件 由高速 低功耗的 I G B T芯片和 优选的门极驱动及保护 电路构成 与其他功率模块 相 比 选用三菱智能功率模块 可 以使系统硬件 电 路简单 减小系统尺寸 提高可靠性 与稳定性 并 可以缩短系统的开发时间 采用 日本 三菱 公 司研制 的第 四代 智 能功率 模 块 用户专用功率模 块 A S I P M P S I 1 0 3 5系统 使硬件电路简单 可减小交流伺服驱动器尺寸 提 高可靠性与稳 定性 并可 以缩短 系统 的开发时 间 与第 代 I P M相 比 该功率模块还具有更低的饱 和 压降 更丰富 的功 能 和更小 的体积 额 定 电压 为 6 0 0 V 额定 电流为 1 5 7 5 A 特别适用 于交流伺 服 系统 输入绝缘接 口电路可采用快速光耦 从而可 以提高 系统 的性能 内置二 极管 也采 用第 三代 芯 片 改善了反向恢复特性 也就是说 在抑制电磁 干扰 时 可 采 用 较 少 的恢 复 电荷 和较 软 的恢 复 特性 5 8 墨 参 磊 r 冷 舭 1 用户专用功率模块 A S I P M 1 A S I P M主要特性 交流伺服系统 中对驱动 器的可靠性 与稳定性要求较 高 这样 需要对饱和 压降 开关速度以及安全运行区这三个 主要特性之 间的关 系加 以调 整 A S I P M 就具有 这些技 术特性 A S P M 比较 适 用 于 直 流 输 入 三 相 输 出 功 率 在 0 7 5 5 0 k W 范围内的电动机控制系统 A S I P M内部设有 门极 驱动控 制电路 故障检测 和各种保 护电路 采 用带有电流传感 器 的 I G B T芯 片 这样 第三代 I G B T芯片带有许多起电流传感器 作用的小单元 这些小单 元的信号反馈 到一个 比较 器上 以监测 I G B T的主电流 内部 的故障保护电路 则用来检测过流 过热及欠压等故障 这 些非正常 运行状态 出现时 I P M就会 自动关断 同时通过驱动 板的光学传感器 向控制板发送一个故 障信 号 提高 系统的可靠性 A S I P M的内部集成 了j相整流桥 与其他 的智 能功率模块相 比 安装 与布线 简单 减少伺服驱动 器 的体积与重量 提 高了系统的集 成度 降低 了成 本 A s I P M P s 1 1 0 3 5的整体功能框图如图 1 所示 图1 P S I 1 0 3 5的控制功能图 m 叫 2 I G B T芯片特性及续流二极管 F WD 芯 片 A S I P M 中 I G B T芯 片的 V c e s a t 可 降到 1 5 V 且具有如下特性 饱和压降和开关速度之间的关 系达到最优化 具有 足够的安全工 作区 能很好 地满足由控制 I C给出的保护范 围 采用 电流传感 器单元设计 在供电系统中 续 流二 极管 F WD 的特性对 开通损耗和浪涌电压影响很大 为了减少这种影响 要求续流二极管具有快 而软的反 向恢复特性 反 向 恢复电流由通态时 P n结 的少数载流子密度决定 但是恢复电荷和通态电压是相互制约 的 协 调两 者 之间的关 系 可获得 比较好的恢复恃性 A S I P M 的 接口电路一般都采用快速光电耦合电路 2 I P M 的保护功能 I P M内置有驱 动和保 护电路 过载时损坏功率 芯 片 它采用的故障检测和关 断方式使功率芯 片的容 量得到最大限度的利用 I P M 内置各种保护功能 其 等效电路如图 2所示 只要有一个保护电路起作用 I G B T的门极驱 动 电路 就关 闭 同时产 生一个 故障 信号 5 V VD 1 5 V I l 5 1k Q 0 0 点 u P p wP Us V N CPU 1 F o I 1 O k Q l 1 卜 V a m p 丰丰0 1 n F o l n F 丰 G N D L o g i c 图2 输入及故障保护接口 1 短路保护 负载短路或系统控制器 因相互 干扰而发生直通现象时 I P M 内的短路保护电路就会 关断 I G B T 流过 I G B T的 电流超 过 电 流断 开 阈值 S C 时 就会立 即开始关断 同时产生一个 故障 信号 2 过流保护如果 I G B T中的电流超过过流断 开阈值 O C 且持续时间大于 t o ff O 0 时 I G B T 就会关断 t o ff O I2 设置为 l O l L s 典型值 电流 在 O C以上但持续时间小于 t o ff O I2 时 过流保护 电路不工作 I P M是采用带电流传感器 的 I G B T来检 测器件的实际电流的 3 控制电源欠压锁定 内部控制 电路 由 1 5 V 直流电源供 电 无论什么原 因 只要该 电源电压 降 上 vl a c h i n e T 岫 o o l s I 机 床 自 动 化 到欠压断开阈值 u V 以下 I P M 就关断 同时会 产生一个故障信号 小毛刺 干扰 电压 的持续时间小 于规定的延 时时间 t d u v时 控制电路不受影响 欠 压锁定保护电路也不动作 该 t d u v 值约为 1 0 1 s 为 了恢复正常运行状态 电源 电压必须超过欠压复位 阈值 U V r 控制 电源上电和掉电期间 欠压锁定 保护电路都有 可能起 作用 这属于正常现象 系统 控制器程序所要考虑 的只是所产生 的故障输 出信号 的脉冲宽度 t F O 4 过热保护靠近 I G B T芯片的绝缘基板上装 有温度传感器 基板的温度超过过热断开阈值 O T 时 I P M 内的保护 电路就会中止门极驱动 不响应控 制输入信号 直到过热根源被排除 温度下降到过 热复位阈值 O T r 以下 同时控制输入为高 电平 断态 时 功率芯片将恢复工作 当下一个低 电平 输入信号 通态 来临时就恢复正常运行 3 A S I P M 的应用 经试验测试 如图 2所示的接 口电路可 以满足 交流伺服驱动器的可靠性与稳定性的要求 交流伺服系统 中 要求具有较高 的可靠性 可 维护性和较低 的功耗 这种用户专用智能功率模块 A S I P M 适用于交流伺服系统 中 使用 A S I P M后 交流伺服驱动器的各种特性得到明显改善 MW 收稿 日期 2 0 1 3 1 1 1 6 工业机器人 约稿 函 尊敬的作者 您好 随着科学技术的进步 工业机器人的使用 越来越广泛 为了推动工业机器人 的普及应用 促进 工业机器人产业的发展 满足广 大用户对工业机器人 的需求 我刊特别在 机床 自动化 栏 目开设关于工 业机器人相关的