智能功率器件的原理與應用

摘要：目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機電一體化設(shè)備中弱電與強電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應用。

關(guān)鍵詞：智能功率器件；功率開關(guān)調(diào)節(jié)器；功率模塊；變頻器

Principle and Application of Intelligent Power Device 

SHA Zhan-you, WANG Shu-hai, AN Sheng-biao, ZHANG Xiu-qing 

Abstract:Now,the power device is developing toward integration, intelligent and modularization. In mechanism-electricity equipment, intelligent power device support an ideal interface to connect weak and power electricity. The characteristic, product classification, operational principle and typical application of the intelligent power device are introduced. 

Keywords:Intelligent power device; Power switching regulator; Power module; Transducer

 中圖分類號：TN492    文獻標識碼：A    文章編號：0219－2713(2003)04－0129－04

1  智能功率器件的特點及產(chǎn)品分類

1.1  智能功率器件的特點

    所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件。由于這類器件可代替人工來完成復雜的功率控制，因此它被賦予智能的特征。例如，在智能功率器件中，常見的保護功能有欠電壓保護、過電壓保護、過電流及短路保護、過熱保護。此外，某些智能功率器件還具有輸出電壓過沖保護、瞬態(tài)電流限制、軟啟動和最大輸入功率限制等保護電路，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

    智能功率器件具有體積小、重量輕、性能好、抗騷擾能力強、使用壽命長等顯著優(yōu)點，可廣泛用于單片機測控系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、電力電子設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。

1.2  智能功率器件的產(chǎn)品分類

    智能功率器件可分成兩大類，即智能功率集成電路與智能功率模塊。

    1）智能功率集成電路

    智能功率集成電路的種類很多，下面僅列出幾種典型產(chǎn)品。

    ——高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（High Voltage Power Switching Regulator）。例如，美國摩托羅拉公司研制的MC33370系列產(chǎn)品。

    ——智能功率開關(guān)（IntelligentP ower Switch）。例如，德國西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的Smart SIPMOS智能功率開關(guān)，產(chǎn)品型號有BTS412B、BTS611等。

    2）智能功率模塊

    智能功率模塊是采用微電子技術(shù)和先進的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實現(xiàn)智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結(jié)構(gòu)，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能。用戶只須了解模塊的外特性，即可使用。因此，它能簡化設(shè)計工作，縮短系統(tǒng)的研制周期。國內(nèi)外許多著名的模塊廠商的產(chǎn)品都通過了IEC950（國際電工委員會）或UL1950（美國）、GS（德國）、CE（歐共體）安全認證，其質(zhì)量可靠、安全性好、抗騷擾性強、符合電磁兼容性（EMC）標準、便于維修，上機合格率可達100％。

    例如，日本三菱電機公司最近開發(fā)的IPM系列第三代智能功率模塊，其用途極為廣泛。最近，國內(nèi)也相繼開發(fā)出變頻空調(diào)器專用智能功率模塊、電動機智能功率模塊等新產(chǎn)品。

    圖1給出了各種功率器件的工作頻率、容量的范圍 及 其 應 用 領(lǐng) 域 。 其 中 ， SCR為 普 通 晶 閘 管 ， Triac為 雙 向 晶 閘 管 ， GTO代 表 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 ， Tr Mod表 示 普 通 功 率 管 模 塊 ， MOSFET表 示 功 率 場 效 應 管 ， IGBT MOD IPM代 表 IPM系 列 的 IGBT智 能 功 率 模 塊 ， 其 中 的 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor） 為 絕 緣 柵 型 場 效 應 管 － 雙 極 型 晶 體 管 的 英 文 縮 寫 。 由 圖 可 見 ， IGBT智 能 功 率 模 塊 的 工 作 頻 率 遠 高 于 普 通 功 率 管 模 塊 ， 而 其 容 量 又 比 功 率 場 效 應 管 提 高 1～ 2個 數(shù) 量 級 。

圖1  各種功率器件的性能及應用領(lǐng)域

2  智能功率集成電路的原理與應用

2.1  MC33370系列高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器

  MC33370系列是美國Motorola公司于1999年研制的適配微控制器（MCU）的高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器，它包括MC33369～MC33374，根據(jù)封裝形式的不同，共有17種型號?？蓮V泛用于辦公自動化設(shè)備、儀器儀表、無線通信設(shè)備及消費類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成150W以下的高壓隔離式AC/DC電源變換器。

    MC33370系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖2中虛線方框所示。各引腳的功能如下：

圖 2  MC33370系 列 產(chǎn) 品 的 內(nèi) 部 框 圖  [!--empirenews.page--]

    UCC為工作電源電壓的輸入端。 

    FB為反饋端。

    GND為地。

    SCI為狀態(tài)控制端，只需配少量外圍元件，即可實現(xiàn)以下6種狀態(tài)控制方式：

    1）利用按鍵觸發(fā)方式來選擇工作模式或備用模式；

    2）配微控制器進行關(guān)斷操作；

    3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護電路，使之在模式轉(zhuǎn)換過程中不會引起開關(guān)電源輸出電壓的波動；

    4）利用數(shù)字信號進行控制；

    5）接上電延時電路；

    6）禁止對狀態(tài)控制器進行操作。

    D為功率開關(guān)管漏極引出端。

    MC33370的內(nèi)部主要包括9部分：

    1）振蕩器；

    2）并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；

    3）脈寬調(diào)制比較器與脈寬調(diào)制觸發(fā)器；

    4）外部關(guān)斷電路及關(guān)斷觸發(fā)器；

    5）電流極限比較器及功率開關(guān)管；

    6）啟動電路；

    7）欠壓鎖定電路；

    8）過熱保護電路；

    9）狀態(tài)控制器。

    由MC33374T／TV構(gòu)成的15V／3.5A、52W開關(guān)電源的電路如圖3所示。其交流輸入電壓u的允許變化范圍是92V～276V。VD1～VD4為整流橋。初級保護電路由RC吸收電路（R2、C2）和鉗位保護電路（VDZ、VD5）構(gòu)成，能有效抑制高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖 峰 電 壓 ， 保 護MC33374內(nèi) 部 的 功 率 開 關(guān) 管 不 受 損 壞 。VDZ采 用 P6KE200A型 瞬 態(tài) 電 壓 抑 制 器 （ TVS） ， 圖 中 阻 容 元 件R1、C3的 序 號 空 缺 ， 根 據(jù) 需 要 亦 可 將R2、C2的 串 聯(lián) 電 路 ， 改 成 由R1(20 kΩ 、 2 W)和C3（ 0.1 μ F、 400 V） 并 聯(lián) 后 再 串 以 超 快 恢 復 二 極 管 ， 組 成R、C、VD型 保 護 電 路 。C5為UCC端 的 旁 路 電 容 。 SB為 控 制 開 關(guān) 電 源 通 、 斷 狀 態(tài) 的 按 鍵 。VD6與C6組 成 反 饋 繞 組 輸 出 端 的 高 頻 整 流 濾 波 器 。 次 級 高 頻 整 流 管 采 用 MBR20100CT（ 20 A／ 100 V） 型 肖 特 基 二 極 管 。 此 管 屬 于 共 陰 對 管 ， 兩 個 陰 極 在 內(nèi) 部 短 接 ， 使 用 時 需 將 兩 個 陽 極 在 外 部 連 通 ， 作 并 聯(lián) 接 法 。 由C8、C11、L、C12和C13組 成 輸 出 濾 波 電 路 。 設(shè) 計 印 制 板 時 還 可 預 先 留 出C9、C10的 位 置 ， 以 便 由C8～C11這 4只 電 容 并 聯(lián) 成 濾 波 電 容 ， 進 而 使L0減 小 到L0/4。

圖3  由MC33374T/TV構(gòu)成52W開關(guān)電源的電路

    由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431B構(gòu)成外部誤差放大器，它還與光耦合器MOC8103組成了光耦反饋電路。其穩(wěn)壓原理是當輸出電壓Uo發(fā)生波動時，經(jīng)R5、R6分壓后得到的取樣電壓就與TL431B中的2.5V基準電壓進行比較，產(chǎn)生外部誤差電壓Ur′，再通過光耦合器使第2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應的變化，并以此調(diào)節(jié)輸出占空比，達到穩(wěn)壓目的。C14用來濾除由高頻變壓器初、次級耦合電容所造成的共模騷擾。C7為控制環(huán)路的補償電容。

2.2    BTS412B型智能功率開關(guān)

    BTS412B型智能功率開關(guān)采用TO-220封裝，它有5個引出端：

    UBB為工作電源電壓端。

    GND為公共地。

    IN為控制信號輸入端。 [!--empirenews.page--]

    ST為狀態(tài)輸出端。

    OUT為功率輸出端。

    芯片內(nèi)部主要包括邏輯電路、電壓檢測電路、整流器、充電泵、功率MOSFET。此外，還有防止靜電放電（ESD）的保護電路，過電壓保護、過流保護、負載開路及短路保護電路，對電感負載的保護電路，對功率MOSFET柵極進行保護的電路。

    BTS412B的主要技術(shù)參數(shù)為UBB>50V，連續(xù)輸出的負載電流IL=1.4A，最大峰值電流ILIMIT=25A，導通電阻RON=0.25Ω。

    使用兩片BTS412B作高端開關(guān)，另用兩只BUZ71L型50V、14A、40W的N溝道場效應管作低端開關(guān)，可構(gòu)成如圖4所示的H橋雙向直流電動機驅(qū)動電路。BUZ71L的導通電阻僅為0.1Ω。當發(fā)生故障時，從ST端輸出的狀態(tài)信號就通過晶體管JE9013驅(qū)動LED發(fā)光，作為報警指示。

圖4  H橋 雙 向 直 流 電 動 機 驅(qū) 動 電 路

3  智能功率模塊的原理與應用

    由日本三菱電機公司開發(fā)出的IPM系列產(chǎn)品，屬于第三代智能功率模塊。它采用第三代IGBT來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率MOSFET和雙極型達林頓管，并配以功能完善的控制及保護電路，構(gòu)成了一種理想的高頻軟開關(guān)模塊。這類模塊特別適用于正弦波輸出的變壓變頻（VVVF）式變頻器中。

    IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖5所示。模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護電路、驅(qū)動IGBT的電路、過流保護電路、短路保護電路、溫度傳感器及過熱保護電路、門電路和IGBT。該系列產(chǎn)品配16位單片機后構(gòu)成的通用VVVF變頻器的原理圖，如圖6所示。

圖5  IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖

圖6  通用VVVF變頻器的原理圖