智能功率模块及其在变频调速中的应用

    宋凌锋  宋  凯  宋立伟(哈尔滨工业大学150001)

袁敬安(哈尔滨理工大学)

    【摘  要】介绍智能功率模块的结构、自保护特性和接f：I电路的设计，并以一具体实例说明其在变频调速系统中的应用。

l  引  言

    Intllimod-3智能功率模块lPM(Intelligent Power Modules，以下简称智能模块)是一种几个高速、低功耗的IGBT和****选的门驱动电路集成为一体的混合电路器件。它通过采用先进的电流检测型IGBT和与之相匹配的门控电路，实现高效的自保护功能。智能模块的使用能缩短系统的设计时间和提高系统的可靠性，并使系统硬件电路简单紧凑。大大减小系统尺寸。有人总结其特点是，用于变频控制的灵活简单的黑匣子。

2智能模块

2．1智能模块的结构

    Intllimod系列的器件开发了三种类型，每种类型都有其独特的电气和机械的****设计，满足不同的应用要求；同时智能模块提供了四种不同的主电路(电源回路)结构：单组件(H)、双组件(D)、六组件(c)和七组件(R)，如图1所示。

I型智能模块在智能模块系列中是功率****的，这组器件造价相当低，封装形式紧凑

简单，采用一个以环氧树脂为主的绝缘系统。这类IPM非常适用于低成本和紧缩尺寸的应用场合。

    2型智能模块的主电路是类型R，属于中型功率器件(三相加上制动部分)。这种器件的电流和(或)电压增加了，因此需要采用陶瓷绝缘，这类绝缘也使得热性能得以改善。

    3型智能模块是Intellimld系列中功率****的器件。这类器件的结构与2型模块的结构相似，都具有DBC陶瓷衬底和用于控制电路分离的印刷电路板。为了保持低的浪涌电压和减轻与接口电路的耦合，内部总线的电感是特别低的。这类模块既有类型D又有类型H。

2．2自保护功能

    Intellimod智能模块有复杂的内部保护电路，以防止系统因误动作或过载而损坏功率器件。IPM内部的门控电路提供_『控制(模块)电源的欠压、过热、过流和短路保护(带有自动复位功能)。保护电路动作，则故障信号给系统控制器提供报警信号。IPM的保护功能带有较强的抗干扰能力，系统控制器可以通过检测故障信号的持续时间和时序确定故障的类型。

2．3智能模块的控制

    智能模块内藏驱动和保护电路，控制容易。外部驱动和保护综合电路仅需一个分立电源和一个低电压开关控制信号，由模块内部保护电路的运行监测提供故障信号。内部的门控电路仅需要一个简单的直流(+15V)电源，设计特点是取消了门驱动电路，为使IGBT关断基极所需施加的负电源(负压)，它的控制输入设计成具有最少外围元件的光电耦合器。

3 IPM在变频调速中的应用

3．1变频调速系统中正确使用IPM

    IPM的选用首先是根据变频装置的容量(电动机额定功率)，同时也要考虑供电电源容量，确定其额定值和****值，然后选择具体型号，型号选定之后，IPM的主电路结构也就确定了，接着可对变频装置的硬件电路进行设计。如果系统硬件对主电路结构形式有特殊要求，则需把IPM额定值和主电路结构形式结合起来考虑，使二者皆满足要求。

    控制电源和触发电路的结构形式一般由IPM主电路的结构决定。智能模块内部驱动电路和保护电路所需分立电源决定了电源的配置，可以是1个、2个或4个。大功率三相逆变器系统用3型I．PM，需要6个分立电源。在这种大电流应用电路中，每个桥臂必须有自己独立的电源控制，为的是避免大地循环噪声的影响。控制电源应该稳定在+1 5V的±10％。在控制电源之间的电容耦合必须最小，当极间电容超过lOOpF，可能要引起噪声，此噪声将触发控制电路，至少有10μF退耦电容应跨接在控制电源的两端，这个电容将有助于滤掉其公共干扰(噪声)，同时提供一个智能模块内部门驱动电路所需的大脉冲电流。智能模块中IGBT功率开关用一个低幅值输入信号控制，典型输入是由上拉电阻将其拉成高电平。在触发电路设计中，触发电流限流电阻大小的取值至关重要，它将直接影响主开关管的开通和关断状态，必须慎重选择。如果，该电阻大了，则提供的触发电流太小，不能使主开关管正常导通；电阻小了，则触发电流太大，会使主开关管关断延时，甚至关断不正常。

    故障信号的应用对系统的可靠性十分重要。为了保证接口电路简单，智能模块采用了一个开、关输出信号作为系统控制器的一个故障报警信号。故障信号都要通过光耦隔离，

也可加上一个较小的滤波抗干扰电容，以防误动作。IPM故障保护带有自动复位功能．为防止保护频繁动作，一般用延时电路来延长封锁(硬件软件双重封锁)时问；为保证保护的速动性和可靠性，****实行静态与动态同时封锁；硬件电路上也可使用锁存器和继电器进一步提高可靠性。也可以在故障发生之后，封锁一切输出，直至硬件重新复位．以防意外。如果还有其它保护信号，可以把IPM故障信号与其它保护信号经过与门电路再送至封锁端。

3．2实例

    针对1．1kw的鼠笼感应电动机，选择智能模块IPM—PMl5CEA060，设计了变频控制器的各部分硬件电路和实现各种功能的软件．并在实验中验证了其可行性。

    变频器系统总体结构框图如图2所示，

它基本可以分为两大部分，即主电路和控制电路。主电路由三相全波整流器、充电限流电阻、储能滤波电容和IPM三相逆变器构成，为典型的交一直一交电压型变频器电路结构，如图3所示。其中的三相整流桥和lPM逆变桥都为模块形式，且都固定在同一块散热器上，简化了电路结构。主回路不需要设计缓冲电路。下桥臂的3个开关元件共用一个控制电源。因为选择的IPM电压电流****值为600V／15A，所以系统输入为220V的单相交流电。

    在主回路中选取PMl5CEA060作为主开关管，这个IPM为6个IGBT复合管，****开关频率较低，为8MHz，是三菱公司的早期产品。在本系统中，发生上文所述故障，IPM故障输出端输出1个低电平信号，直接驱动光耦，将故障信号送至锁存器以封锁

HEF4752，并通过cPu进行故障判断。PMl 5CEA060具体接口(触发)电路如图4所示，接口电路仅需一个+15V电源、隔离光耦和两个限流电阻、几个电容即可，其中限流电阻R1=1．4kΩ，为多次实验确定的结果。

实验电机的主要技术指标为：功率为1．1kw，输出频率为2～50Hz，调速范围60～1 500r／rain。实验表明，变频器可在较恶劣的工作环境下安全可靠的运行。图5和图6为实验测到的一组电机电压电流波形图。

4结语

    智能模块本身带有驱动电路和高效的自保护功能，集成度很高。在变频调速系统中采用智能模块，将使硬件电路大为简化，同时控制更加灵活方便。智能模块的应用，使变频装置进一步小型化，增加了它的功能及用途，并大大提高了装置的可靠性，使其更加趋于实用化和智能化。

参考文献

1  Usmg Intellimod-3 Intelligent Power Modules．厂家技术资料．

2  宋凌锋．感应电动机矢量控制调速系统．哈尔滨理工大学硕士学位论文，1996(4)

3张宏宇，王哈力，袁敬安．一种高速电机SPWM变频调速系统，哈尔滨电工学院学报，1994,1 7(1):23～29