一般理論：每根發(fā)熱電纜需配備一個(gè)獨(dú)立的溫控器控制，當(dāng)單位面積很大，一個(gè)房間內(nèi)需要用到好幾根發(fā)熱電纜時(shí)，溫控器的數(shù)量也增加了。隨之成本增加。一般的解決方法是配備一個(gè)溫控箱，而這些配置。是一般家庭都不會(huì)去考慮的。這個(gè)時(shí)候就需要用到功率擴(kuò)展模塊，可實(shí)現(xiàn)多根發(fā)熱電纜一個(gè)溫控器控制。那么小小的模塊到底是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？原理是什么呢？下面為大家介紹下：

    智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫(xiě),是一種先進(jìn)的功率開(kāi)關(guān)器件,具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn),以及MOSFET(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗、高開(kāi)關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn).而且IPM內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測(cè)和保護(hù)電路,使用起來(lái)方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積以及開(kāi)發(fā)時(shí)間,也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性,適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路(PIC),在電力電子領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.本文以三菱公司PM100DSA120為例,介紹IPM的基本特性,然后著重介紹IPM的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì).
　　1 IPM的基本工作特性
　　1．1 IPM的結(jié)構(gòu)
　　IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成,如圖1所示.其中,IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合,由MOSFET驅(qū)動(dòng)GTR,因而IGBT具有兩者的優(yōu)點(diǎn).
　　IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內(nèi)部封裝一個(gè)IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個(gè)IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個(gè)IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個(gè)IGBT).小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng),中大功率的IPM使用陶瓷絕緣.
　　1．2 IPM內(nèi)部功能機(jī)制
　　IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠,縮短了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間,也提高了故障下的自保護(hù)能力.與普通的IGBT模塊相比,IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進(jìn)一步的提高.
　　保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)控制電壓欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù).如果IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作,IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門(mén)極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO).各種保護(hù)功能具體如下:
　　(1)控制電壓欠壓保護(hù)(UV):IPM使用單一的+15V供電,若供電電壓低于12．5V,且時(shí)間超過(guò)toff＝10ms,發(fā)生欠壓保護(hù),封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號(hào).
　　(2)過(guò)溫保護(hù)(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器,當(dāng)IPM溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過(guò)溫度值時(shí),發(fā)生過(guò)溫保護(hù),封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號(hào).
　　(3)過(guò)流保護(hù)(OC):若流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)過(guò)流動(dòng)作電流,且時(shí)間超過(guò)toff,則發(fā)生過(guò)流保護(hù),封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號(hào).為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式.
　　3.其中,VG為內(nèi)部門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓,ISC為短路電流值,IOC為過(guò)流電流值,IC為集電極電流,IFO為故障輸出電流.
　　(4)短路保護(hù)(SC):若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路,流過(guò)IGBT的電流值超過(guò)短路動(dòng)作電流,則立刻發(fā)生短路保護(hù),封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路,輸出故障信號(hào).跟過(guò)流保護(hù)一樣,為避免發(fā)生過(guò)大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式.為縮短過(guò)流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作間的響應(yīng)時(shí)間,IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC),使響應(yīng)時(shí)間小于100ns,從而有效抑制了電流和功率峰值,提高了保護(hù)效果.
　　當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時(shí),其故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間tFO為1．8ms(SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些),此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門(mén)極驅(qū)動(dòng),關(guān)斷IPM;故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后,IPM內(nèi)部自動(dòng)復(fù)位,門(mén)極驅(qū)動(dòng)通道開(kāi)放.
　　可以看出,器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的,如果tFO結(jié)束后故障源仍舊沒(méi)有排除,IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過(guò)程,反復(fù)動(dòng)作.過(guò)流、短路、過(guò)熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況,應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作,因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù).要使系統(tǒng)真正安全、可靠運(yùn)行,需要輔助的外圍保護(hù)電路. 2 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
　　驅(qū)動(dòng)電路是IPM主電路和控制電路之間的接口,良好的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要意義.
　　2．1 IGBT的分立驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
　　IGBT的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題亦即MOSFET的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)問(wèn)題,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右,因此驅(qū)動(dòng)電路輸出端要給柵極加電壓保護(hù),通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻.前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin,從而影響開(kāi)關(guān)速度,后者的缺陷是將減小輸入阻抗,增大驅(qū)動(dòng)電流,使用時(shí)應(yīng)根據(jù)需要取舍.②盡管IGBT所需驅(qū)動(dòng)功率很小,但由于MOSFET存在輸入電容Cin,開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)電容充放電,因此驅(qū)動(dòng)電路的輸出電流應(yīng)足夠大,這一點(diǎn)設(shè)計(jì)者往往忽略.假定開(kāi)通驅(qū)動(dòng)時(shí),在上升時(shí)間tr內(nèi)線性地對(duì)MOSFET輸入電容Cin充電,則驅(qū)動(dòng)電流為Igt＝CinUgs/tr,其中可取tr＝2.2RCin,R為輸入回路電阻.③為可靠關(guān)閉IGBT, 防止擎住現(xiàn)象, 要給柵極加一負(fù)偏壓,因此最好采用雙電源供電.
　　2．2 IGBT集成式驅(qū)動(dòng)電路
　　IGBT的分立式驅(qū)動(dòng)電路中分立元件多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,保護(hù)功能比較完善的分立電路就更加復(fù)雜,可靠性和性能都比較差,因此實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動(dòng)電路.日本富士公司的EXB系列集成電路、法國(guó)湯姆森公司的UA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛.
　　2．3 IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
　　現(xiàn)以PM100DSA120為例進(jìn)行介紹.PM100DSA120是一種D型的IPM,內(nèi)部封裝了兩個(gè)IGBT,工作在1200V/100A以下,功率器件的開(kāi)關(guān)頻率最大為20kHz.由于IPM內(nèi)置了驅(qū)動(dòng)電路,與IGBT驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相比,外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較方便,只要能提供15V直流電壓即可.
　　但是IPM對(duì)驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格?熏具體為:①驅(qū)動(dòng)電壓范圍為15V±10%?熏電壓低于13．5V將發(fā)生欠壓保護(hù),電壓高于16．5V將可能損壞內(nèi)部部件.②驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離,以避免地線噪聲干擾.③驅(qū)動(dòng)電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的兩倍(2Vces).④驅(qū)動(dòng)電流可以參閱器件給出的20kHz驅(qū)動(dòng)電流要求,根據(jù)實(shí)際的開(kāi)關(guān)頻率加以修正.⑤驅(qū)動(dòng)電路輸出端濾波電容不能太大,這是因?yàn)楫?dāng)寄生電容超過(guò)100pF時(shí),噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路.