新型智能功率模塊(ASIPM)的功能及應用

大連光洋科技工程有限公司 (遼寧 116600)丁云飛

大連市節能監察支隊 (遼寧 116013)徐慧勇

智能化的發展是系統智能集成(SIPM)，即將電源電路、各種保護以及PWM 控制電路等集成在一個芯片上，制成一個完整的功率變換器IC。集成電力電子模塊(IPEM)是將驅動、自動保護、自診斷功能的IC 與電力電子器件集成在一個模塊中，由于不同的元器件、電路、集成電路的封裝或相互連接產生的寄生參數已成為決定電力電子系統性能的關鍵，所以采用IPEM 方法可減少設計工作量，便于生產自動化，提高系統質量、可靠性和可維護性，縮短設計周期，降低產品成本。為此，新型智能功率模塊IPM (Intelligent Power Module)應運而生。三菱智能功率模塊IPM (Intelligent Power Modules)是先進的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT 芯片和優選的門極驅動及保護電路構成。與其他功率模塊相比，選用三菱智能功率模塊，可以使系統硬件電路簡單，減小系統尺寸，提高可靠性與穩定性，并可以縮短系統的開發時間。

采用日本三菱公司研制的第四代智能功率模塊——用戶專用功率模塊 (ASIPM)PS11035 系統使硬件電路簡單，可減小交流伺服驅動器尺寸，提高可靠性與穩定性，并可以縮短系統的開發時間。與第三代IPM 相比，該功率模塊還具有更低的飽和壓降、更豐富的功能和更小的體積。額定電壓為600V，額定電流為15～75A，特別適用于交流伺服系統。輸入絕緣接口電路可采用快速光耦，從而可以提高系統的性能。內置二極管也采用第三代芯片，改善了反向恢復特性，也就是說，在抑制電磁干擾時，可采用較少的恢復電荷和較軟的恢復特性。

1.用戶專用功率模塊(ASIPM)

(1)ASIPM 主要特性 交流伺服系統中對驅動器的可靠性與穩定性要求較高。這樣，需要對飽和壓降、開關速度以及安全運行區這三個主要特性之間的關系加以調整，ASIPM 就具有這些技術特性。ASIPM 比較適用于直流輸入/三相輸出、功率在0.75～5.0kW 范圍內的電動機控制系統。

ASIPM 內部設有門極驅動控制電路、故障檢測和各種保護電路，采用帶有電流傳感器的IGBT 芯片。這樣，第三代IGBT 芯片帶有許多起電流傳感器作用的小單元。這些小單元的信號反饋到一個比較器上，以監測IGBT 的主電流。內部的故障保護電路則用來檢測過流、過熱及欠壓等故障。這些非正常運行狀態出現時，IPM 就會自動關斷，同時通過驅動板的光學傳感器向控制板發送一個故障信號，提高系統的可靠性。

ASIPM 的內部集成了三相整流橋，與其他的智能功率模塊相比，安裝與布線簡單，減少伺服驅動器的體積與重量，提高了系統的集成度，降低了成本。ASIPM—PS11035 的整體功能框圖如圖1 所示。

圖1 PS11035 的控制功能圖

(2)IGBT 芯片特性及續流二極管(FWD)芯片ASIPM 中IGBT 芯片的Vce (sat)可降到1.5V，且具有如下特性:①飽和壓降和開關速度之間的關系達到最優化。②具有足夠的安全工作區，能很好地滿足由控制IC 給出的保護范圍。③采用電流傳感器單元設計。

在供電系統中，續流二極管(FWD)的特性對開通損耗和浪涌電壓影響很大，為了減少這種影響，要求續流二極管具有快而軟的反向恢復特性。反向恢復電流由通態時p -n 結的少數載流子密度決定。但是恢復電荷和通態電壓是相互制約的，協調兩者之間的關系，可獲得比較好的恢復恃性。ASIPM 的接口電路一般都采用快速光電耦合電路。

2.IPM 的保護功能

IPM 內置有驅動和保護電路過載時損壞功率芯片。它采用的故障檢測和關斷方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM 內置各種保護功能，其等效電路如圖2 所示。只要有一個保護電路起作用，IGBT 的門極驅動電路就關閉，同時產生一個故障信號。

圖2 輸入及故障保護接口

(1)短路保護 負載短路或系統控制器因相互干擾而發生直通現象時，IPM 內的短路保護電路就會關斷IGBT。流過IGBT 的電流超過電流斷開閾值(SC)時，就會立即開始關斷，同時產生一個故障信號。

(2)過流保護 如果IGBT 中的電流超過過流斷開閾值(OC)，且持續時間大于toff (oc)時，IGBT就會關斷，toff (oc)設置為10μs (典型值)。電流在OC 以上但持續時間小于toff (oc)時，過流保護電路不工作。IPM 是采用帶電流傳感器的IGBT 來檢測器件的實際電流的。

(3)控制電源欠壓鎖定 內部控制電路由15V直流電源供電。無論什么原因，只要該電源電壓降到欠壓斷開閾值(UV)以下，IPM 就關斷，同時會產生一個故障信號。小毛刺干擾電壓的持續時間小于規定的延時時間tduv 時，控制電路不受影響，欠壓鎖定保護電路也不動作，該tduv 值約為10μs。為了恢復正常運行狀態，電源電壓必須超過欠壓復位閾值(UVr)。控制電源上電和掉電期間，欠壓鎖定保護電路都有可能起作用，這屬于正常現象，系統控制器程序所要考慮的只是所產生的故障輸出信號的脈沖寬度(tFO)。

(4)過熱保護 靠近IGBT 芯片的絕緣基板上裝有溫度傳感器，基板的溫度超過過熱斷開閾值(OT)時，IPM 內的保護電路就會中止門極驅動，不響應控制輸入信號，直到過熱根源被排除。溫度下降到過熱復位閾值(OTr)以下，同時控制輸入為高電平(斷態)時，功率芯片將恢復工作，當下一個低電平輸入信號(通態)來臨時就恢復正常運行。

3.ASIPM 的應用

經試驗測試，如圖2 所示的接口電路可以滿足交流伺服驅動器的可靠性與穩定性的要求。

交流伺服系統中，要求具有較高的可靠性、可維護性和較低的功耗。這種用戶專用智能功率模塊(ASIPM)適用于交流伺服系統中，使用ASIPM 后，交流伺服驅動器的各種特性得到明顯改善。