智能功率模塊IPM的主要特點(diǎn)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

IPM是一種混合集成電路，它將大功率開關(guān)元件和驅(qū)動電路、保護(hù)電路、檢測電路等集成在同一個(gè)模塊內(nèi)，這種功率集成電路特別適應(yīng)逆變器高頻化發(fā)展方向的需要。其產(chǎn)品外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-15所示。

圖1-15 智能功率模塊及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前，IPM一般以IGBT為基本功率開關(guān)元件，構(gòu)成單相或三相逆變器的專用功能模塊，在中小容量變頻器中廣泛應(yīng)用。

除了在工業(yè)變頻器中被大量采用后，經(jīng)濟(jì)型的IPM在近年來也開始在一些民用產(chǎn)品如家用空調(diào)變頻器、冰箱變頻器、洗衣機(jī)變頻器中得到應(yīng)用。

智能功率模塊將功率開關(guān)和驅(qū)動電路集成在一起，而且還設(shè)有過電壓、過電流、過熱等故障檢測電路，并將檢測信號送給CPU。它具有體積小、功能多、功耗小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通用變頻器之中。

IPM是將主開關(guān)器件、續(xù)流二極管、驅(qū)動電路、過電流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路和短路保護(hù)電路以及驅(qū)動電源不足保護(hù)電路、接口電路等集成在同一封裝內(nèi)，形成的高度集成的智能功率集成電路。

1.驅(qū)動電路

在IPM內(nèi)部設(shè)置了高性能的驅(qū)動電路，具有出現(xiàn)故障后自動軟關(guān)斷IGBT的功能，同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)緊湊，驅(qū)動電路與IGBT之間距離極短，抗干擾能力強(qiáng)，輸出阻抗又很低，不需要加反偏電壓，簡化了驅(qū)動電路電源，僅需提供1組下橋臂的公共電源和3組上橋臂的獨(dú)立“浮地”電源。

2.欠電壓保護(hù)

每個(gè)驅(qū)動電路都具有欠電壓（UV）保護(hù)功能。無論什么原因，只要驅(qū)動電路電源電壓Ucc低于欠電壓閥值Uuv時(shí)間超過10ms，IPM就會關(guān)斷，同時(shí)輸出一個(gè)故障報(bào)警信號。

3.過熱保護(hù)

IPM內(nèi)部絕緣基板上設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)溫度超過過熱斷開閥值時(shí)，IPM內(nèi)部的保護(hù)電路就會阻止門極驅(qū)動信號，不接受控制輸入信號，直至過熱現(xiàn)象消失，保護(hù)器件不受損壞，同時(shí)輸出過熱故障信號。當(dāng)溫度下降到過熱復(fù)位閥值時(shí)，電路自動恢復(fù)正常工作。

4.過電流、短路保護(hù)

IPM中的IGBT電流傳感器是射極分流式，采樣電阻上流過的電流很小，但與流過開關(guān)器件上的電流成正比例關(guān)系，從而取代了大功率電阻、電流互感器、霍爾電流傳感器等電流監(jiān)測組件。如果IPM中任意一IGBT的C極電流大于過電流動作電流10μs時(shí)，IPM將軟關(guān)斷，并且輸出過電流報(bào)警信號。

5.制動電路

IPM中設(shè)有IGBT組成的制動電路。當(dāng)IPM接收到制動信號后，制動電路中的IGBT導(dǎo)通，接在制動端BN的制動電阻吸收電能，制動電路工作。

6.使用方便

IPM采用陶瓷絕緣結(jié)構(gòu)，直接安裝在絕緣板上。直流輸入（P、N）、制動單元輸出（B）和變頻器輸出端子直接用螺釘連接；輸入、輸出控制端子并排成一列，可用通用插座連接。所以主接線端子和控制端接線端子都可以直接拆卸，不需要烙鐵焊接，非常方便。

1.IPM內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)原理

圖一 IPM內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)原理圖

如圖一所示：圖中UV為欠壓保護(hù)單元、OC為過電流保護(hù)單元、SC為短路保護(hù)單元、OT為過熱保護(hù)單元，這些保護(hù)單元的輸出信號作為或門輸入信號。4種保護(hù)單元中只要有一種保護(hù)單元發(fā)生故障，IPM就會輸出故障信號。圖中Drive為驅(qū)動放大單元，從圖中可以看出驅(qū)動放大單元一方面將接收到的控制信號進(jìn)行放大輸出，驅(qū)動IGBT控制極；同時(shí)，可以接收任一故障保護(hù)電路的信號，一旦接收到故障保護(hù)電路的信號，便輸出軟關(guān)斷驅(qū)動信號去軟關(guān)斷IGBT，使IGBT受到保護(hù)。

2.IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

圖二 IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

由圖二可見IGBT1~IGBT6組成逆變橋，VDF1~VDF6分別為6個(gè)IGBT的續(xù)流二極管。其中IGBT1~IGBT3為上橋臂開關(guān)器件，由3個(gè)單獨(dú)“”浮地直流電源給3組控制電路供電；IGBT4~IGBT6為下橋臂開關(guān)器件，3組控制電路由一組直流電源供電；IGBT7為制動電路開關(guān)器件，VDW是它的續(xù)流二極管，內(nèi)部具有門極驅(qū)動控制、故障檢測和多種保護(hù)電路。內(nèi)部故障保護(hù)電路若檢測到過電流、欠電壓、過熱和短路故障中的任一故障，IPM就會自行軟關(guān)斷，同時(shí)送出故障報(bào)警信號。

UinU：上橋臂U相控制信號輸入端；

UccU：上橋臂U相驅(qū)動電源輸入端，UccU為“+”端，GND U為“-”端；

UinV：上橋臂V相控制信號輸入端；

UccV：上橋臂V相驅(qū)動電源輸入端，UccV為“+”端，GND V為“-”端；

UinW：上橋臂W相控制信號輸入端；

UccW：上橋臂W相驅(qū)動電源輸入端，UccW為“+”端，GND W為“-”端；

Ucc：下橋臂共用驅(qū)動電源（Ucc）輸入端，Ucc為“+”端，GND 為“-”端；

UinDB：制動控制信號輸入端；

UinX：下橋臂X相控制信號輸入端；

UinY：下橋臂Y相控制信號輸入端；

UinZ：下橋臂Z相控制信號輸入端；

ALM：保護(hù)電路動作時(shí)的輸出端；

P、N：變頻裝置整流、平波后主電源（Ud）輸入端，P為“+”端，N為“-”端；

B：制動輸出端子，減速時(shí)可以釋放再生電能的端子；

U、V、W：變頻器三相輸出端。