IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用

1、IGBT-IPM 智能模块的电路设计及在 SVG 装置中的应用摘要介绍了 -智能模块的基本情况和功能特点，并对该智能功率模块的 相关电路设计方法和需要注意的问题进行了深入地分析，最后结合装置， 详细说明了该模块的应用，并给出了系统硬件结构图。关键词-智能模块；1引言电力系统中大功率电力电子装置的幵关元件主要是晶闸管和GTOo但是，随着近年来双极功率晶体管及功率MOSFET的问世以及生 产技术的成熟，这些幵关元件凭借自身优越的性能逐渐替代了晶闸管和G TO,并朝着节能、轻便、小型化的方向迅速发展。IGBT-IPM IntelligentPowerModule智能模块正是其中的代表之一，它将IGB

2、T单元、驱动电路、保护 电路等结合在一个模块之中，利用这些优越的特性可极大地提高实际应用 系统的稳定性 同时可简化设计的难度 缩小装置的体积。图 12IGBT智能模块的主要特点与过去IGBT模块和驱动电路的组合电路相比，IGBTIPM内含驱动电路且保护功能齐全，因而可极大地提高应用系统整机的可靠性。本文将要介绍的是富士电机最新推出的R系列IPM智能功率模块7MBP100RA-120的主要特点和使用情况。它除了具有体积小、可靠性高、价格低廉等优点以外，还具有以下主 要功能内含驱动电路。该模块同时具有软幵关特性， 可控制IGBT幵关时的dV/dt和 浪涌电压；用单电源驱动时，无需反向偏压电源；并可

3、防止误导通。关断时，IGBT栅极低阻抗接地可防止噪音等引起VGE上升而误 导通；模块中的每个IGBT的驱动电路都设计了最佳的驱动条件。内含各种保护电路。每个IGBT都具有过流保护OC、负载短路保护SC、控制电源欠 压保护UV和过热保护OH等功能。图 2 内含报警输出功能。当出现上述保护动作时，可向控制IPM的微机系统输出报警信号。 包含有制动电路。内含制动单元的IPM模块，用此单元可以抑制PN端子间的电压升 高。图1为该IGBTIPM智能模块的内部结构图，图中的前置驱动 部分包括驱动放大、短路保护、过流保护、欠压闭锁、管心过热保护等功 能电路。图中，各个引脚和端子的标号列于表1。表 1-智能模

4、块的脚及端子标号端子标号内容 ,经过整流变换平滑滤波后的主电源的输入端子。+端， -端制动输出端子再生制动电阻电流的输出端子。 不用时，建议接到或上，模块的 3 相输出端子 1,3 相上臂控制电源 输入。+端； -端 4,6 相上臂控制电源输入。+端； -端 7,9 相上臂控制电源输入。+端；-端 10，11 下臂公用控制电源输入。+端；-端 2，5，8 下臂，相控制信号输入 13，14，15 下臂，相控 制信号输入 12， 16 为下臂相控制信号输入，为保护电路动作时的报警信 号输出3IGBT智能模块电路设计IGBT智能模块的电路设计主要分为主电源部分、光耦外围控制部 分、缓冲电路部分及散热

5、部分。下面分别对这四部分的设计方法和需要注意的问题进行说明。3.1主电源电路富士的IGBTIPM模块有很多不同的系列，每一系列的主电源 电压范围各有不同，在设计时一定要考虑其应用场合的电压范围。6 0 0 V系列主电源电压和制动动作电压都应该在4 00V以下，1 200V系列则要在800V以下。幵关时的最大浪涌电压600V系列应在500V以下，1200V系列应该在1 0 0 0 V以下，根据上述各值的范围，使用时应使浪涌电压限定在规定的值内，且应在最靠近P、N端子处安装缓冲器如果一个整流 电路上接有多个IGET模块，还需要在P、N主端子间加浪涌吸收器。虽然在模块内部已对外部的电压噪声采取了相应

6、的措施，但是由于噪 声的种类和强度不同，加之也不可能完全避免误动作或损坏等情况，因此 需要对交流进线加滤波器，并绝缘接地，同时应在每相的输入信号与地G ND间并联1 00 0 pF的吸收电容。3.2光耦外围控制部分与主电源电路不同，外围控制电路主要针对的是单片机控制系统的弱 电控制部分。由于模块要直接和配电系统连接，因此，必须利用隔离器件将模块和控制部分的弱电电路隔离幵 来，以保护单片机控制系统。同时，IGET模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时 的控制信号。所以，设计一个优良的光耦控制电路也是模块正常工作的关键之一。根据IGET的驱动以及逆变电路的要求1，模块内部的IGET控制电源

7、必须是上桥臂3组，下桥臂1组，总计4组独立的15V直流 电源。图2是一种推荐的光耦驱动电路。图2中给出了几种典型光耦驱动电路，其中三极管与光耦并联型电路 对光耦特别有利下面是控制输入的光耦规格要求CMH = CML15kV/或1 OkV/(isTPHL=TPLH15%推荐的光耦有HCPL-4505,HCPL-4506TLP759IGM,TLP755等。一般情况下，光耦要符合UL、VDE等安全认证。同时最好使光耦和IGET控制端子间的布线尽量短。由于初级和次级间常加有大的dv/dt，因此，初、次级布线不要 太靠近以减小其间的耦合电容。在使用15V的直流电源组件时，建议电源输出侧的GND端子不要

8、互联，并尽量减少各电源与地间的杂散电容，同时还应当确保足够大的绝 缘距离大于2mm。光耦输入用的10诃及0.1F滤波电容主要是保持控制电压平稳和修正线路阻抗的稳定，其它地方的滤波电容也很必要。另外，控制信号输入端与Vcc端应接20k Q的上拉电阻，在不使 用制动单元时，也应该在DE输入端与Vcc端接20kQ的上拉电阻,否则，dv/dt过大可能会引起误动作。图3为控制信号的输入电路。其它三组上桥臂控制信号输入电路与图3相同，但3组15V直流电源应分别供电。而下桥臂的4组，则共用一个15V直流电源。3.3缓冲电路缓冲电路阻容吸收电路主要用于抑制模块内部的IGET单元的过 电压和dv/dt或者过电流

9、和di/dt，同时减小IGET的幵关损 耗。由于缓冲电路所需的电阻、电容的功率、体积都较大，所以在IGE T模块内部并没有专门集成该部分电路，因此，在实际的系统之中一定要 有缓冲电路，通过电容可把过电压的电磁能量变成静电能量储存起来，电 阻可防止电容与电感产生谐振。如果没有缓冲电路，器件在幵通时电流会迅速上升，di/dt也很 大，关断时，dv/dt很大，并会出现很高的过电压，极易造成IGE T器件的损坏。因此，缓冲电路不仅在IGET模块中需要，在SVG系统的整流电 路中也同样需要。图4给出了一个典型的缓冲电路，有关阻值与电容大小的设计可根据 具体系统来设定不同的参数。4IGBT智能模块在SVG

10、装置的应用静止无功发生器SVG345StaticVarGenera tor是灵活交流输电系统FACTSFlexibleACTransmis-sionSystem技术中的一个重要内容，它的主要功能是在系统中起到动态无功发生、无功补偿、电压支撑、改善系统稳定的作目前，改善电压质量的方法是用传统的SVCStaticVarCompensator静态无功补偿装置来减小电压波动及电压不对称， 而用机械投切电容器或电抗器消除电压不平衡，用滤波器消除谐波。但是，这些措施的实现及控制都不太灵活，加之设备价格比较昂贵、 维修困难，因而在实际系统应用中效果并不是很好。FACTS技术中的SVG装置以其灵活的动态调节性

11、能克服了这 些不足。SVG装置的核心部分是逆变电路，它将整流后的直流电压进行逆变 以产生与系统相应的交流电压，从而产生所需的交流无功功率。利用IGET智能模块后，逆变电路无论是在体积、性能、稳定性还 是控制方式上都得到了极大地简化。该系统共分为3个主要部分第一部分是由IG-BT模块构成的逆变电路，第二部分是由电力二极管构成的全波整流电路，第三部分是由微机 构成的检测控制系统。整流电路采用日本富士公司的三相全波整流模块6RI100G-16 0，该模块的主要作用是将三相线路上的交流电压变为直流输出，从 而维持直流电容两端的电压稳定，同时也为逆变电路提供一个直流电压。微机控制系统是由以ADMC401

12、高速数字信号处理芯片为核心 的DSP控制系统组成，它具有极高的处理速度和专门的6路PWM波发 生控制引脚，从图5可以看出，DSP控制系统除了完成向IGBT发出 控制信号以外，还可完成三相电流和电压的检测、人机交换等功能。电流检测可利用KT10 0-P型电流传感器来完成，电压检测则利 用CHV-50P电压传感器来完成。键盘管理部分选用8 2C79接口芯片来管理16键的键盘输入。输出显示部分则选用以SED1520为驱动芯片的MGLS12 0 3 2 A液晶显示模块LCD3。该模块的显示屏幕一次最多可显示14个16X16的点阵汉字，图中只画出了相应的方框图。上述功能均可通过对ADMC401数字信号处理芯片的软件编程 来实现。其程序流程图见图6所示。值得注意的是本SVG装置中采用的是单桥路控制电路，所以只用到 了一个IGET智能模块，它一共有6个控制点。如果采用多重化结构并使用多个IGET模块相串联或并联工作，那 么将会得到更多的控制点，当然，输出的波形、容量、电压都将会更好。实际上，在SVG系统中，除了IGET逆变模块以外，还有很多其 它的重要组件，因此，要想让SVG系统中的IGET智能模块正常、高 效、安全地工作，还需要装置其余各部件都协调运作，才能够达到预期