第一節(jié) IPM變頻模塊產(chǎn)品基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

IPM智能功率模塊是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動以及保護(hù)電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的、有電流傳感功能的IGBT芯片，從而可實現(xiàn)高效的過流保護(hù)和短路保護(hù)。由于IPM智能功率模塊集成了過熱和欠壓鎖定保護(hù)電路，因而系統(tǒng)的可靠性得到了進(jìn)一步提高。

一、IPM智能功率模塊的優(yōu)點

使用智能功率模塊可以使生產(chǎn)廠家降低在設(shè)計、開發(fā)和制造上的成本。與普通的IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高。由于IPM集成了驅(qū)動和保護(hù)電路，使得用戶的產(chǎn)品設(shè)計變得相對容易，并能縮短開發(fā)周期；由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器減小，因而系統(tǒng)尺寸也減??；所有的IPM均采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)化與邏輯電平控制電路相聯(lián)的柵極控制接口，在產(chǎn)品系列擴(kuò)充時無需另行設(shè)計電路。IPM在故障情況下的自保護(hù)能力，也減少了器件在開發(fā)和使用中過載情況下的損壞機(jī)會。

二、IPM智能功率模塊安全工作區(qū)

IPM內(nèi)置的柵極驅(qū)動電路和保護(hù)電路可以對許多違反IGBT模塊安全工作區(qū)（SOA）的運(yùn)行模式加以保護(hù)，智能功率模塊的開關(guān)安全工作區(qū)和短路安全工作區(qū)定義概述如下：

開關(guān)安全工作區(qū)：

開關(guān)（關(guān)斷）安全工作區(qū)通常定義為在重復(fù)關(guān)斷運(yùn)行時的最大允許瞬時電壓和電流。對于IPM，內(nèi)置柵極驅(qū)動取消了因不正確的柵極驅(qū)動而造成的許多電壓和電流的危險組合，此外，最大工作電流受過流保護(hù)電路的限制。根據(jù)這些限制條件，開關(guān)安全工作區(qū)可用圖1中的波形來定義，只要主電路直流母線電壓低于數(shù)據(jù)手冊中的Vcc(port)指標(biāo)，每個IPM功率單元的C-E間關(guān)斷瞬時電壓低于VCES指標(biāo)，Tj小于125℃，控制電源電壓在13.5V和16.5V之間，IPM將會安全工作。波形中的IOC是IPM的過流故障不會動作的最大允許電流。換句話說，它正好處在OC動作數(shù)值以下。該波形定義了硬關(guān)斷操作的最壞情況，當(dāng)電流高于OC動作數(shù)值時，IPM將關(guān)斷該電流。

短路安全工作區(qū)：

圖2是一個典型的短路運(yùn)行波形。標(biāo)準(zhǔn)測試條件用最小阻抗短路來產(chǎn)生流過該器件的最大短路電流。在測試中，短路電流（ICS）只受器件特性的限制，只要主電路直流母線電壓低于Vcc(port)規(guī)定值，每個IPM功率單元的C-E間所有瞬時電壓低于VCES指標(biāo)，Tj小于125℃，控制電源電壓在13.5V和16.5V之間，對于非重復(fù)性的短路，IPM保證不會損壞。波形顯示了IPM為了減低浪涌電壓而使用的軟關(guān)斷。

三、IPM智能功率模塊的自保護(hù)功能

自保護(hù)特點：

IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞的情況。內(nèi)置保護(hù)功能的框圖如下圖所示。如果IPM模塊其中有保護(hù)電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流并輸出一個故障信號（FO）。

IPM內(nèi)置保護(hù)功能框圖

控制電源欠壓鎖定：

內(nèi)部控制電路由一個15V直流電源供電。如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動作數(shù)值（UV），則該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個故障信號。如果小毛刺干擾時間小于規(guī)定的tdUV，則不影響控制電路工作，欠壓保護(hù)電路也將不工作。

保護(hù)后，要恢復(fù)正常工作，電源電壓必須超過欠壓復(fù)位數(shù)值（UVr）。欠壓保護(hù)電路在控制電源上電和掉電期間都要保持工作。

過熱保護(hù)：

在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝溫度傳感器。如果基板溫度超出過熱動作數(shù)值（OT），IPM內(nèi)部控制電路將截止柵極驅(qū)動，不影響控制輸入信號，直到溫度恢復(fù)正常，從而保護(hù)了功率器件。當(dāng)溫度回落至過熱復(fù)位數(shù)值（OTr）以下，并且控制輸入為高電平（關(guān)斷狀態(tài)），功率器件將接收下一個低電平（開通狀態(tài)）輸入信號并恢復(fù)正常工作。

過流保護(hù)：

如果流過IGBT的電流超出過流動作數(shù)值（OC）的時間大于toff(OC)，IGBT將被關(guān)斷。

超過OC數(shù)值但時間小于toff(OC)的電流短脈沖并不危險，過流保護(hù)電路將不予處理。當(dāng)檢測出過電流時，IGBT將被軟關(guān)斷，同時輸出一個故障信號。受控的軟關(guān)斷能控制關(guān)斷大電流而發(fā)生的浪涌電壓。

短路保護(hù)：

如果負(fù)載發(fā)生短路而導(dǎo)致上下臂同時導(dǎo)通，IPM內(nèi)置短路保護(hù)電路將關(guān)斷IGBT。如果流經(jīng)IGBT的電流超出短路保護(hù)動作數(shù)值（SC），軟關(guān)斷立即啟動并輸出一個故障信號。為縮短SC檢測與SC關(guān)斷之間的響應(yīng)時間，IPM采用了實時電流控制電路（RTC）。SC動作時，實時電流控制電路直接監(jiān)測IGBT驅(qū)動的末級電路，因此響應(yīng)時間可以減小到不足100ns。

四、IPM智能功率模塊的驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路的要求：

一個低電平輸入信號將使IGBT開通。典型地，IPM的輸入腳被用一個連接到控制電源正側(cè)的電阻拉高，把控制輸入拉低則產(chǎn)生一個“開通”的信號。

故障輸出信號FO表現(xiàn)為集電極開路，如果發(fā)生故障，開路集電極器件即行接通，故障輸出腳從控制電源正端吸收電流。

接口電路設(shè)計中布線很重要。為避免dv/dt噪聲耦合到控制電路，在布線中一定要仔細(xì)考慮：在上臂接口電路之間、上臂和下臂接口電路之間的寄生電感都會產(chǎn)生噪聲的問題。

驅(qū)動電路的原理：

下圖是用于空調(diào)機(jī)變頻控制器的三菱公司的六合一IPM智能功率模塊——PM20CTM060驅(qū)動電路的原理圖。開關(guān)控制信號和故障信號是通過隔離接口電路同系統(tǒng)控制器連接的。TLP559的特點是開關(guān)速度高，每秒達(dá)1M次。TLP521則具有電流傳輸比（CTR）大的特點，CTR值達(dá)200，圖中的R508是一個上拉電阻，它是確保在IPM智能功率模塊沒有故障時VFO的輸出為高電平。

IPM智能功率模塊驅(qū)動電路原理圖

在使用IPM的設(shè)計中，4路15V電源的質(zhì)量要求比較高，波動范圍為15 V±10%，否則會影響IPM工作的可靠性。而隔離光耦的選擇也十分重要，電流傳輸比（CTR）應(yīng)在100~200之間，隔離光耦的輸入端是TTL電平，其輸入電流應(yīng)設(shè)定為8~10mA。若設(shè)計不當(dāng)，則會增加IGBT工作在放大區(qū)的時間，導(dǎo)致IGBT功耗增大，不能充分發(fā)揮IPM的效能。另外為了防止IGBT上下橋臂同時導(dǎo)通，軟件設(shè)計時，在上下橋臂導(dǎo)通上設(shè)有死區(qū)時間（即互鎖時間）。若硬件設(shè)計不當(dāng)，則會導(dǎo)致所需死區(qū)時間延長，從而增加IPM三相輸出的高次諧波成分，致使壓縮機(jī)運(yùn)行振動增加，效率下降。

五、驅(qū)動電路印刷電路板的設(shè)計

驅(qū)動電路印刷線路板絲印面見圖5。IPM智能功率模塊的驅(qū)動電路印刷電路板采用帶金屬化孔的雙面PCB板制作，在設(shè)計中注意考慮以下三點：

驅(qū)動電路印刷線路板絲印面圖

1、不應(yīng)把因IPM開關(guān)時容易引起電位變化的走線布得太近，因為高的dv/dt會通過寄生電容耦合噪聲；信號線與電源線不要平行走線，以防互相干擾。

2、光耦合器的輸出腳和IPM輸入腳之間在PCB上走線應(yīng)盡量短，小于2~3cm，因為長的走線容易拾取電路其它部分的噪聲。

3、電源上用的濾波瓷片電容應(yīng)盡量靠近相應(yīng)的IPM引腳。在本設(shè)計中這四個電容（C505~C508）選用的是低感退耦電容，并直接焊接在IPM相應(yīng)的引腳上。

六、IPM模塊的靜電防護(hù)

帶靜電的人體或其它過大的電壓施加到柵-源（或發(fā)射極）上可能毀壞芯片?？轨o電的基本措施就是盡量阻止靜電的產(chǎn)生并盡快將電荷釋放掉。

在焊接IPM智能模塊時，應(yīng)保證烙鐵頭良好接地，烙鐵溫度應(yīng)控制在330℃～350℃溫度范圍內(nèi)，焊接時間小于10s；在電控箱體的裝配過程中，應(yīng)將測試設(shè)備和人體良好接地，推薦在工作臺和周圍的地板上鋪放導(dǎo)電毯，并將之接地。

第二節(jié) IPM變頻模塊產(chǎn)品新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

由日本三菱電機(jī)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(dá)林頓管，并配以功能完善的控制及保護(hù)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)部框圖如下圖所示。模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路、驅(qū)動IGBT的電路、過流保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、溫度傳感器及過熱保護(hù)電路、門電路和IGBT。該系列產(chǎn)品配16位單片機(jī)后構(gòu)成的通用VVVF變頻器的原理圖，如下圖所示。

IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖

通用VVVF變頻器的原理圖

近日，功率半導(dǎo)體專家國際整流器公司 (International Rectifier，簡稱IR)推出業(yè)界首個iNTERO可編程隔離式智能功率模塊 (PI-IPM)，在單一封裝內(nèi)將功率平臺整合到嵌入式驅(qū)動器板上，板上納入一個可編程數(shù)字信號處理器。

這款業(yè)界集成度最高的PI-IPM功率模塊，可提供完全集成靈活及高性能的解決方案，適用于高達(dá)15kW的三相、交流感應(yīng)及直流無刷工業(yè)用及伺服電機(jī)。該模塊降低了電機(jī)驅(qū)動器功率平臺、相關(guān)控制及外圍設(shè)備的設(shè)計時間、成本和風(fēng)險。

新器件型號為PIIPM50P12B004，額定值為1200V和50A，內(nèi)含三相逆變器功率平臺所需的各種功率半導(dǎo)體器件及一個可編程40 Mips數(shù)字信號處理器，并具備電流傳感、隔離、柵驅(qū)動器及功率平臺保護(hù)功能，可直接與電機(jī)驅(qū)動器主機(jī)及輸入平臺接口。

新模塊包括異步2.5 Mbps串行端口，兼容可擴(kuò)展相干接口/IEEE 1596-1992 (SCI)、服務(wù)供應(yīng)商接口 (SPI) 及控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN)；同時設(shè)有“測試行動聯(lián)合組織” (JTAG) IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)端口，用于數(shù)字信號處理器接口；亦配備隔離式串行端口，用于正交編碼器或SPI通信的選通信號輸入。方案內(nèi)還設(shè)有基本應(yīng)用指令集及開發(fā)工具。

經(jīng)驗證的集成解決方案避免了復(fù)雜功率系統(tǒng)開發(fā)過程中的成本及調(diào)度風(fēng)險，讓設(shè)計人員一開始便可準(zhǔn)確掌握開發(fā)成本。iNTERO PI-IPM模塊以單一組件取代130個元件，大大簡化供應(yīng)鏈物流，同時可節(jié)省其他系統(tǒng)成本，如離散封裝、連線以及匹配功率平臺和邏輯電路的成本。

PI-IPM模塊專為伺服驅(qū)動的高性能要求而設(shè)計，通過高效率、堅固耐用的設(shè)計提供非常精確的電流反饋環(huán)路，且噪音極低，封裝尺寸亦比傳統(tǒng)設(shè)計小50%。模塊中的電流反饋環(huán)路具有5kHz頻寬，能以低速提供低轉(zhuǎn)矩，避免不必要的軸顫或噪音問題。

新模塊還配備領(lǐng)先的非穿通 (NPT) IGBT及先進(jìn)的二極管技術(shù)，在直至20 kHz頻率時有較低的電流拖尾效應(yīng)及極低的功率損耗。同時，它可提供平直的安全操作區(qū)，并設(shè)有10微秒短路能力及極低的傳導(dǎo)噪音。設(shè)計人員只需采用停滯時間低至500毫微秒 (比光耦合器快10倍) 的柵驅(qū)動集成電路，結(jié)合IGBT內(nèi)降低了的電流拖尾效應(yīng)，便可實現(xiàn)高達(dá)20kHz的開關(guān)頻率。

新模塊經(jīng)精心設(shè)計，既可抑制噪音，亦能縮減電磁干擾 (EMI) 濾波器的尺寸，還包含用于IGBT di/dt控制的獨(dú)立開/關(guān)柵驅(qū)動器輸出。由于該模塊采用集成結(jié)構(gòu)及小巧設(shè)計，因此可將其設(shè)置在靠近電機(jī)的位置，減少連接器及連線數(shù)量，從而進(jìn)一步降低噪音。由于噪音及功率損耗極低，控制部分可堆疊在功率平臺之上。

PI-IPM模塊融合了耐用的IGBT技術(shù)，同時為所有三相輸入及直流總線提供欠壓及過壓停機(jī)保護(hù)，兼具擊穿保護(hù)、輸入和輸出信號的匹配傳播延遲功能，以及線對線和接地失誤的全面保護(hù)。該模塊也能在強(qiáng)制性系統(tǒng)停機(jī)前，監(jiān)測電機(jī)繞線或纜線連接的絕緣損耗。綜合各項先進(jìn)功能，使PI-IPM模塊成為市場上最堅固耐用的設(shè)計之一。

第三節(jié) IPM變頻模塊產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)熱點、難點 分析

智能IPM模塊問世已有十年之久，目今有110KW的模塊，可供變頻器選用。它是先進(jìn)的混合集成功率器件，將IGBT、驅(qū)動電路、保護(hù)電路集成化，因此具有高速、高效、低耗、和優(yōu)化門極驅(qū)動及保護(hù)電路，欠壓鎖定，用電流傳感功能芯片，對過流和短路保護(hù)，更為優(yōu)越的，整體的可靠性大為提高。IPM有四種電路形式：單管封裝（H），雙管封裝（D），六合一封裝（C），七合一封裝（R）。由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，可使散熱器減小，因而整機(jī)尺寸亦可減小，又有自保護(hù)能力，減低了在開發(fā)和使用中過載情況下?lián)p壞的機(jī)率，國內(nèi)外55KW以下的變頻器多數(shù)采用IPM模塊，亦是理所當(dāng)然的。結(jié)溫還是125℃，柵控13.5-16.5V之間，就可安全地工作。IPM有：短路保護(hù)（SC），過流保護(hù)（OC），欠壓保護(hù)（UV），過熱保護(hù)（OT），過壓保護(hù)（OV）等較完全的。

1、變頻專用功率集成模塊PIM

最近5年內(nèi)問世的，專供變頻器主電路使用的綜合集成功率器件。例德國慕尼黑TYCO公司生產(chǎn)的2.5-66A 1200V系列，4-75A 600V系列，它包含了單相/三相輸入整流橋 制動單元（或PFC功率因數(shù)單元） 六單元IGBT NTC溫度監(jiān)測。但不包括驅(qū)動電路。有的專業(yè)廠例富士等將整流、制動、IGBT、保護(hù)、驅(qū)動、控制全部一體化集成模塊，那樣使用更方便、安全、可靠。其特點是：

A、集成全部器件及電路；B、體積小，功率大，損耗低，較穩(wěn)定；C、優(yōu)化內(nèi)部布線，減少寄生噪音；D有完全的自保護(hù)電路，具有快速、靈敏；E、唯一不足的是當(dāng)其中有一個器件壞時，將造成整體的報損，它不同于分離方式模塊，只局限于損壞的更換就可。

2、對IGBT的Vge與Vce的加壓次序

眾所周知變頻器內(nèi)部的測量電路、保護(hù)電路、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)換電路、隔離電路、CPU、柵極電路等，所用的電子器件，例TTL、COMS、運(yùn)放、光耦等都由開關(guān)電源提供所需的不同電壓值，對IGBT來講Vge是由開關(guān)電源提供±5-15V電壓，但Vce是由主電路經(jīng)三相整流橋濾波后的DC電源（P N ）提供的，為確保IGBT的使用安全及誤導(dǎo)通，故對Vge與Vce加電壓次序有要求。必須是先加Vge且待穩(wěn)定后（截止偏壓-15V，導(dǎo)通偏壓 15V），再可加Vce。切莫當(dāng)G極懸空或未穩(wěn)定時就加Vce（幾百一千伏），因為Cgc極間的耦合電容就可將IGBT誤導(dǎo)通，以致過高的dv/dt造成電擊穿而損壞。為避免上述現(xiàn)象的發(fā)生一般用延時電路方法，使Vce延時Vge約0.2秒，這樣大大的提高了使用上安全性、可靠性，尤其是中、大功率的器件更應(yīng)注意的。

第四節(jié) IPM變頻模塊產(chǎn)品未來技術(shù)發(fā)展趨勢

為適應(yīng)計算機(jī)、通訊、空間技術(shù)以及各種大容量的工業(yè)電力變流裝置和電動機(jī)驅(qū)動要求，為了提高產(chǎn)品在市場上的競爭力，在IPM的基礎(chǔ)上開發(fā)出高集成化，智能化，標(biāo)準(zhǔn)化，并適合各種不同用戶應(yīng)用要求的用戶專用功率模塊（ASPM），它是把變流裝置所有硬件盡量集成在同一芯片上，如把逆變裝置的整流器，逆變器的IGBT和FWD，制動IGBT以及快速二極管集成在一個芯片上，使之不再有額外的引線連接。目前市場上已大量供應(yīng)作小功率電機(jī)控制用的0.1kW到1.5kWASPM模塊，一臺7.5kW電機(jī)變頻裝置ASPM模塊，其體積僅為600mm×400mm×250mm,從而達(dá)到體積小，重量輕，裝置成本低，寄生電感小，并大大提高高頻變流裝置的可靠性，21世紀(jì)被稱作“Allinone”的ASPM模塊將越來越普及。但是，技術(shù)上要把幾百安、幾千伏的電力半導(dǎo)體器件與邏輯電平僅為幾伏、幾毫安的集成電路集成在同一硅芯片上將非常困難。然而采用混合封裝形式的集成電力電子模塊（IPEM）將非常合適和經(jīng)濟(jì)，三維多層結(jié)構(gòu)的集成技術(shù)，可大大擴(kuò)大IPEM的功率范圍，圖9為分層多芯片IPEM結(jié)構(gòu)圖。圖9中IGBT等器件制成可安裝的管芯形式，它們被安裝在具有高導(dǎo)熱率且絕緣的襯底板上，利用獨(dú)特的電通路來實現(xiàn)各器件的互聯(lián)。IPEM的控制電路，柵極緩沖器，電流和溫度傳感器，電平位移電路和保護(hù)電路，都利用表面貼裝元件安裝在已燒制好的普通陶瓷片上，一個微處理控制器與IPEM接口，提供所需的控制功能，這種以高集成度為特色的混合結(jié)構(gòu)，結(jié)合無源元件的電磁集成，采用新型材料、熱控技術(shù)以及諧振軟開關(guān)技術(shù)所制成的IPEM為新世紀(jì)電力電子技術(shù)的發(fā)展開辟了新途徑。

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