IPM原理及测试方法.ppt

Page1 诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm IPM原理及测试方法 1 IPM的定义及基本结构框图 IPM即智能功率模块 IntelligentPowerModule 是一种把功率开关器件和门极驱动电路集成在一起的电力集成电路 其在电力电子领域的应用非常广泛 在IPM中不仅集成了高效的功率开关器件 MOSFET IGBT 和优化过的门极驱动电路 往往还内藏有过电压 过电流和过热等故障检测电路 Page4 IPM的基本结构 一种典型的IPM电路FSB20CH60的内部结构图 SD05M50D的内部结构图 IPM与以往传统的功率开关模块与驱动电路的分立组件相比具有如下特点 1 内含驱动电路 设定了最佳的功率器件驱动条件 驱动电路与功率器件栅极之间的距离很短 输出阻抗很低 因此 不易受干扰 更不需要加反向偏压 2 内含过电流保护和短路保护模块 由于是通过检测各功率器件集电极电流实现保护的 故不管哪个器件发生异常 都能保护 特别是下桥臂短路和对地短路的保护 同时由于可以直接关断 因此反应时间也比依靠MCU关断的分立组件要短 Page8 3 内含驱动电源欠电压保护 UV 每个驱动电路都具有UV保护功能 当驱动电源电压VCC小于规定值UV时 产生欠电压保护 4 内含过热保护 过热保护是防止内部功率器件IGBT FRD等过热的保护功能 能对于芯片的异常发热实现保护 Page9 5 内含报警输出功能 ALM ALM是向外部输出故障报警的一种功能 当出现过热 过流 以及UV保护动作时 通过向控制IPM的微机输出异常信号 能切实停止系统 保护系统不受异常故障的损坏 Page10 2 IPM的驱动控制方法简介 Page11 120度 方波 和180度 正弦波 控制方式简介IPM的一个重要应用领域就是无刷直流电机 BLDC 领域 目前我们所拿到的无刷直流电机的驱动方式主要有两种 分别为120度驱动和180度驱动 其中120度驱动方式中每一相的导通角度为120度 电流输出信号为矩形 180度驱动方式中每一相的导通角度为180度 电流输出信号为正弦波 下图分别为三相无刷直流电机中采用120度驱动方式和180度驱动方式时的输入信号 180度驱动方式 Page13 120度驱动方式 Page14 由上图可知 由于工作在120度驱动方式时IPM中的每一个功率开关器件只在1 3周期中有开关动作 因此工作在120度驱动方式时IPM的开关损耗比工作在180度驱动方式时要少很多 3 IPM重点参数及测试方法介绍 Page16 3 1击穿电压 BVDSS 测试IPM的击穿电压测试包括两部分 一部分是指对IPM内置功率开关器件 IGBT 的CE端击穿电压测试 另外一部分是指对IPM内置高压驱动电路 HVIC 的高压端 VS 的击穿电压测试 功率开关器件击穿电压 BVDSS 测试功率开关器件的击穿电压是指当功率开关器件处于关闭状态时 将C极和E极之间击穿所需的电压 其中fairchild一般以CE电流为250uA作为CE击穿的标志 以FSB20CH60为例 CE端击穿电压测试图如下 上图为FSB20CH60上桥臂IGBT的击穿电压测试图 其中IGBT的C极接高压 E极接地 另外尤其要注意的是HVIC的VS端必须接地 这样才能保证IGBT的栅极电平与E极的电平一致 从而使IGBT能处于关闭状态 上图为FSB20CH60下桥臂IGBT的击穿电压测试图 其中IGBT的C极接高压 E极接地 要注意的是LVIC的COM端必须接地 这样才能保证IGBT的栅极电平与E极的电平一致 从而使IGBT能处于关闭状态 HVIC击穿电压 BVDSS 测试HVIC即IPM内部的高压驱动芯片 其主要功能是通过电荷泵的原理来驱动打开IPM内置的上桥臂功率管 由于应用时HVIC的VS端与IPM的输出端是直接相连的 因此VS端也将承受高压 HVIC的击穿电压测试就是指VS端与COM端之间被击穿所需的电压值 以FSB20CH60为例 VS端击穿电压测试图如下 3 2高压漏电流 IDSS 测试高压漏电流 IDSS 的测试也包括两部分 即IPM内置功率开关器件处于关闭状态下的CE漏电流测试和IPM内置HVIC的高压端 VS 漏电流测试 测试时的外围线路连接与击穿电压测试时完全相同 也就是在功率开关器件的CE之间和VS对COM之间加上额定的高电压 测试此时高电压流出的漏电流 3 3正向导通电压 VDSON 测试正向导通电压是指IPM内置功率开关器件 IGBT 处于开启状态时 当CE之间流过一定值电流后 C极与E极之间的电压差 以FSB20CH60为例 正向导通电压测试图如下 上图为FSB20CH60上桥臂IGBT的导通电压测试图 其中IGBT的C极接高压 E极接地 IN脚接入高电平 使IGBT处于导通状态 然后使用电子恒流源给IGBT灌入额定值的电流 然后测试IGBTC极与E极之间的电压差值 3 4反向导通电压 VSD 测试反向导通电压是指IPM内置功率开关器件 IGBT 处于关闭状态时 当从续流管流过一定值电流后 续流管两极之间的电压差 以FSB20CH60为例 反向导通电压测试图如下 上图为FSB20CH60S上桥臂反向导通电压测试图 其中IGBT处于关闭状态 然后从IGBT的E极灌入额定的电流值 C极接地 此时IGBTE极与C极之间的电压差值即为反向导通电压 3 5HVIC高侧静态电流 IBS 测试HVIC高侧静态电流是指HVIC在正常工作时 VB和VS之间流入的电流 需要在IN脚输入电平在高低两种电平条件下分别进行测试 测试图如下 高压侧静态电流 IBS 是一项非常关键的参数 由于IPM在正常工作时 上桥臂IGBT的开启必须通过电荷泵自举的方式进行供电 因此给HVIC的高压侧供电的实际上是VB VS之间的电容 由于客户从成本角度考虑 往往使用容值很低的电容作为VB VS之间的电容 这样就对IBS提出了要求 如果IBS很大 那VB VS电容将无法提供足够的电流 从而导致上桥臂的IGBT无法开启 自举时系统工作图如下 3 6热阻 R JC 测试热阻是表征IPM电路散热性的重要参数 由于IPM往往内置多个功率器件 因此对于散热的要求非常高 如果电路的热阻不佳 将导致功率器件产生的热量无法及时散发 使IPM内部的电路处于高温的工作状态 这将使IPM的使用寿命和性能都受到影响 热阻的精确测试需要购置专用的仪器 这里将介绍一种简易的测试方法 虽然无法很精确的定量测试出热阻值 但可以定性地表征出IPM的热阻特性 尤其是可以用于不同产品之间的对比 以FSB20CH60为例 热阻测试图如下 如上图所示 首先使所有的6路输入为高 将6个IGBT全部打开 然后使用恒流源向IPM灌入额定的电流 电流通过IPM直接流入GND 这样将使所有的耗散功率都在加在IPM之上 通过调节恒流源的输出电流I 将可以得到不同的耗散功率P 然后测试不同P下面的IPM表面温度T 这样就可以得到P T曲线 用于表征IPM热阻特性 3 7上升沿时间 Tr 和下降沿时间 Tf 测试上升沿时间和下降沿时间是指IPM在工作状态时 输出口电压波形从0V上升到最高点所需的时间和从最高点下降到0V所需的时间 是表征功率开关器件开关特性的重要参数 以SD05M50为例 测试图如下 如上图 主要测试SD05M50下桥臂MOSFET的上升沿时间和下降沿时间 对于IPM而言 MOSFET的上升沿时间和下降沿时间可以通过内置HVIC的输出口阻抗来进行调整 不同的沿时间可以形成不同规格的IPM 对于上升沿时间和下降沿时间的调整必须十分慎重 时间过短将造成对功率器件较强的电流冲击 使功率器件容易损坏 同时也会对系统中的其他部件产生较强的干扰 而时间过长则会造成功率器件开关损耗变大 导致功率器件发热量变大 3 8上升延迟时间 Ton 和下降延迟时间 Toff 和 Trr 测试上升延迟时间和下降延迟时间是指IPM的输出口的上升沿和下降沿对于输入信号的延迟时间 反向恢复时间主要是指与功率开关器件并联的二极管的反向恢复时间 简单来说 当二极管由正向导通转成反向截止时 会在一小段时间内出现反向导通的现象 这段反向导通的时间就是所谓的反向恢复时间 以SD05M50为例 测试图如下 如上图 可以得到相关的如下波形 由上图可知 上升延迟时间即VIN由低变高和VDS由高变低之间的时间差 下降延迟时间即VIN由高变低和VDS由低变高之间的时间差 反向恢复时间需要用专用仪器测试 用示波器测试误差较大 3 9单脉冲雪崩能量 EAS 测试单脉冲雪崩能量是指IPM内置的功率管在单次雪崩状态下 能够消耗的最高能量 以SD05M50为例 测试图如下 上图为SD05M50下桥臂MOSFET的EAS测试图 由上图可以得到如下的测试波形 通过增加VIN的脉冲宽度 使得VDS和Id的最高值不停的增加 测试当功率开关器件出现损坏时的VDS和Id 则EAS VDS Id