IPM功率模块分析

引言

1PM智能功率模块是先进的混合集胜利率器件，由高速、低功耗的

IGBT芯片和优化的门极驱动以与爱护电路构成。由于采纳了能连续

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

效的过流爱护和短路爱护。由于IPM智能功率模块集成了过热和欠压

锁定爱护电路，因而系统的牢靠性得到了进一步提高。

IPM智能功率模块的性能特点

IPM智能功率模块的优点

运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。

与一般的IGBT相比，在系统性能和牢靠性上有进一步的提高。由于

IPM集成了驱动和爱护电路，使得用户的产品设计变得相对简单，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；全部的IPM均采纳同样的标准化与逻

辑电平限制电路相联的栅极限制接口，在产品系列扩充时无需另行设

计电路。IPM在故障状况下的自爱护实力，也削减了器件在开发和运

用中过载状况下的损坏机会。

IPM智能功率模块平安工作区

IPM内置的栅极驱动电路和爱护电路可以对很多违反IGBT模块平安

工作区(SOA)的运行模式加以爱护，智能功率模块的开关平安工作

区和短路平安工作区定义概述如下：

开关平安工作区

开关(关断)平安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

而造成的很多电压和电流的危急组合，此外，最大工作电流受过流爱

护电路的限制。依据这些限制条件，开关平安工作区可用图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125C,限制电源电压在13.5V和16.5V之间，IPM将会平安

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

的最坏状况，当电流高于OC动作数值时，IPM将关断该电流。

短路平安工作区

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间全部瞬时电压低于VCES指标，Tj小于

1250c，限制电源电压在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运用的软关

断。

IPM智能功率模块的自爱护功能

自爱护特点

IPM有精良的内置爱护电路以避开因系统失灵或过应力而使功率器件

损坏的状况。内置爱护功能的框图如图3所示。假如IPM模块其中有

爱护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流并输出一个故隙信

号(FO)o

M-5贝»

►►图3IPM内置俣护功能楸图

限制电源欠压锁定

内部限制电路由一个15V直流电源供电。假如由于某种缘由这一电源

软关断马上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采纳了实时电流限制电路(RTC)oSC动作时,

实时电流限制电路干脆监测IGBT驱动的末级电路，因此响应时间可

以减小到不足lOOnSo

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

个连接到限制电源正侧的电阻拉高，把限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，假如发生故障，开路集电极器

件即行接通，故障输出脚从限制电源正端汲取电流。

接口电路设计中布线很重要。为避开dv/dt噪声耦合到限制电路，在

布线中肯定要细致考虑：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

图4是用于空调机变频限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。开关限制信号和故障信号是

通过隔高接口电路同系统限制器连接的。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。

►►图41PM笆能功率模关驱动电谿原理图

在运用IPM的设计中，4路15V电源的质量要求比较高，波动范围为

15V±10%,否则会影响IPM工作的牢靠性。而隔离光耦的选择也

非常重要，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8TomA。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。

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5oIPM智能功率模块的驱动电路印

刷电路板采纳带金属化孔的双面PCB板制作，在设计中留意考虑以下

三点：

“LTLTLTLT

£“泅050505060507

,1LJ5U405011]彳|'

►►图5驱动电路印刷线路板丝印面图

1、不应把因IPM开关时简单引起电位改变的走线布得太近，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，

以防相互干扰。

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,因为长的走线简单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，并干脆焊接

在IPM相应的引脚上。

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（或放射极）上可能毁坏

芯片。抗静电的基本措施就是尽量阻挡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，烙铁温度应限制在

33CTC〜