IPM智能功率模塊電路設計及其在有源濾波器裝置中應用

張元 李少飛 李曉龍

IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊的相關功能完善、安全性能極高，其在主電路的有源電力濾波器裝置中進行運行時，具有體積小、集成度高的特點。在有源濾波器中應用到IPM能夠在很大程度上簡化裝置的主電路，進而提高整體性能的穩定性。IPM在裝置中主要包括了驅動電路、緩沖吸收以及保護電路三個部分。本文通過分析IPM在有源濾波器中的設置，總結出其在有源濾波器裝置中的具體應用。

前言

伴隨著計算機技術與電力電子技術以及運動控制技術的飛速發展，電力電子器件在這樣的環境中也發生著巨大的轉變。根據國內外的研究背景來分析，變頻技術正在朝著小型化、多功能的方向發展，而電力電子器件也從半控器件、全控器件、功率模塊一直發展到現在的智能功率模塊。智能功率模塊具有集成度高和體積小的特點，其在有源濾波器裝置中的應用能夠有效保護電路以及控制電壓。本文研究了IPM的電路設計，并分析了其具體應用。

一、IPM智能功率模塊的概述

智能功率模塊是由高速和低功率的電子芯片以及優選的門級驅動和保護電路共同構成的。由此看來，其具有開關速度快和功耗低的特點。智能功率模塊中每一個晶體管的驅動電路都設計出了最佳的驅動條件。和傳統的晶體管模塊相比，IPM在系統性能以及可靠性方面都有了很大程度的提高[1]。

IPM應用于有源濾波器當中能為內建中的保護電路提供4種保護功能，分別是過流保護、短路保護、欠壓保護以及過熱保護功能。在實際的工作當中，如果IPM模塊中體現出一種保護電路的動作，整個濾波器的驅動單元就會關閉門極電流，同時傳輸出一個故障信號，有效保護整個電路。

二、IPM智能功率模塊的電路設計

智能功率模塊的電路設計主要包含了三個方面內容，分別是驅動電路部分、緩沖吸收電路部分以及保護電路部分。

在實際的智能功率模塊中，有一種R型的智能功率模塊，在其內部一共裝有7個晶體管，并在1200V/75A的條件下運行。由于智能功率模塊內部裝置了驅動電路，因此和普通晶體管驅動的電路設計相比而言，外部驅動的電路設計則更加簡潔。之所以出現這種簡便的裝置，根本原因在于驅動電源以及光耦接口中電路的設計[2]。

值得注意的是，智能模塊功率對驅動電路的輸出電壓有著十分嚴格的要求，這種嚴格的要求具體體現在：首先，驅動電壓的范圍為（1±10%）×15V，如果電壓小于13.5V的話將會發生欠壓保護的現象，電壓如果高于16.5V的話將會產生損壞內部零件的情況。其次，驅動電壓要相互隔離，以此避免地線的噪聲相互干擾。最后一點，驅動電流輸出端濾波的總體電容量不能過大，因為當所寄生的電容超過了100pF時，噪聲的干擾將會有可能在錯誤的情況下觸發到內部的驅動電路[3]。

在緩沖吸收電路的部分中，智能功率模塊所產生電壓的主要原因是存在著關斷浪涌電壓和續流二極管恢復浪涌電壓。關斷浪涌電壓是指在關斷的瞬間流過晶體管的電流時產生瞬態的高壓，而當續流二極管恢復到反向的阻斷能力時就會產生和關斷浪涌所相似的浪涌電壓。因此，為了保護晶體管就必須使用到緩沖吸收電路，緩沖吸收電路可以用來控制晶體管等功率元件的關斷浪涌電壓以及續流二極管恢復浪涌電壓，從而在減少對開關損耗的同時能夠使功率元件的功率達到極限。

三、智能功率模塊的具體應用

驅動電路IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊是主電路和控制電路之間的一個接口，該接口的作用是確保驅動電路的穩定，而穩定的驅動電路對有源濾波器（APF）整個裝置的運行、可靠性能以及安全性能都有著十分重要的意義。在功率的驅動電路當中，保護電路是不可或缺的一項功能，完整的系統保護不能夠僅僅依靠智能功率模塊當中的內部保護功能，在實際的運行當中還需要借助外圍的保護電路。IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊內部保護功能在其發生故障的時候會有效輸出一個故障的信號，外圍的保護就是在故障信號處理的基礎上提供保護措施[4]。

在傳統的有源濾波器（APF）中，所采用的是電感和電容的元件來運行，這種元件組成具有很大的弊端，比如說其具有占用的體積大、受到參數的影響比較大以及補償性差的缺陷等，故傳統的有源濾波器僅僅能夠抑制住固定次數的諧波。而應用IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊在有源濾波器（APF）中，在很大程度上會提升其運行的能力，同時產生出高速的輸出沖脈。如果在實際的運用中能夠使用多種結構來進行串聯或并聯的工作，將會得到更多的控制點，輸出的波形也會更加明顯[5]。

結論：目前，在我國的電力有源濾波器（APF）中，智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）的應用極為廣泛。將由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構成的智能功率模塊IPM應用在有源濾波器（APE）中，可以有效簡化電路中的設計，減少相關的智能功率控制環節，從而大幅度提高電路系統的安全性及可靠性。所以，只要在電路設計時注意對智能功率模塊IPM相關電路的設計，就能更好的完善電路中的智能功率控制系統。

參考文獻

[1]袁濤，鄭建勇，康靜.IPM智能功率模塊電路設計及其在有源濾波器裝置中應用[J].電力自動化設備，2011，05（19）：88-91.

[2]曾偉，程漢湘.《電力自動化設備》2007年著者索引（第27卷第1～12期）[J].電力自動化設備，2011，12（21）：113-121.

[3]劉建，吳春芳，朱約章，IGBT-IPM智能模塊的電路設計及在SVG裝置中的應用[J].國外電子元器件，2014，03（22）：40-44.

[4]吳國亮，鄒秀斌，孫斌.IPM智能功率模塊在高精度慣導測試設備中的應用[J].計算機測量與控制，2010，10（10）：2247-2249-2252.

[5]范瑞祥，羅安，李欣然.并聯混合型有源電力濾波器的系統參數設計及應用研究[J].中國電機工程學報，2011，02（09）：106-111.

（作者單位：陜西烽火電子股份有限公司）