基于单片开关电源的智能功率模块驱动电源的设计
第一章 绪论
单片开关电源自20世纪90年代中期问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。它极大的简化了开关电源的设计和新产品开发工作，也为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及，创造了良好条件。
在智能功率模块（IPM）的应用中，需要用到四组互相绝缘的控制电源。使用单片开关电源可以方便地设计出高效的控制电源。
本章首先阐述IPM的基本原理，然后简要介绍开关电源的发展趋势、基本原理，以及单片开关电源的基本原理及反馈电路类型。
1.1智能功率模块的基本原理
智能电力模块(IPM)是智能集成电路,因其可靠性高,用户使用方便的特点赢得越来越大的市场。本节以日本富士公司R系列IPM为例,讲述了智能电力模块的结构及其在小型变频器中的应用。
1.1.1 概述
智能电力模块(IPM)又称为智能集成电路,是电力集成电路的一种。在电力电子变流电路中,电力电子器件必须有驱动电路(或触发电路)、控制电路和保护电路的配合,才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往,电力电子器件和配套控制电路是分离器件构成的电路装置,而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所谓的功率集成电路。可以集成多种功率器件及其控制电路所需的有源或无源器件,比如功率二极管、BJT、IGBT、高低压电容、高阻值多晶硅电阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种功率集成电路特别适应于电力电子技术高频化发展方向的需要。由于高度集成化,结构十分紧凑,
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避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。
IPM的优点： 1．不易损坏；
2．IPM内藏相关的外围电路,缩短了产品设计和评价时间； 3．不需要对功率开关器件采取防静电措施； 4．大大减少了元件数目,体积缩小。
电力集成模块的智能化主要表现在易控制功能、保护功能和接口功能等三个方面。IPM内藏过电压、过电流和过热等故障监测电路,并可将监测信号送给CPU。即使发生负载事故或使用不当,也可保证IPM自身不受损坏。目前的IPM一般采用IGBT作为功率开关元件,并也内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM正以其可靠性高、用户使用方便的特点赢得越来越大的市场,尤其适合制作驱动电动机的变频器,是一种较为理想的电力电子器件。
1.1.2 IPM的结构
下面介绍小容量变频器中开始采用的IPM。
以富士公司R系列IPM为例。其内部结构如图1．1所示。 由图1．1可见,这是一种包括制动单元在内的完整的逆变器,其中包括7个IGBT和7个快速功率二极管,IGBT1～IGBT6组成逆变桥,VDF1～VDF6是与六个主IGBT反并联的回馈二极管,IGBT7是动力制动用的开关管,VDW是它的续流二极管。
图中有关检测元件、保护电路没有具体画出,含在“驱动”框内。“驱动”部分具有下述功能:
1．驱动信号放大; 2．短路保护(SC);
3．控制电源欠电压保护(UV);
4．IGBT及VDF、VDW过电流保护(OC); 5．IGBT芯片过热保护(TjoH)。
“驱动”4、6、2、7及“过热保护电路”经Ｒ由16号端子ALM输出
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报警信号。当IGBT过电流、IGBT结温过高、外壳温度过高、负载短路和控制电源欠电压信号出现时,ALM报警信号输出,保证整个系统切实停止工作。由于控制电源共地处理的限制,ALM信号由具有共地端的驱动器中取出,即由“驱动”4、6、2及7中取出。当有ALM信号输出时, IGBT4、6、2及7被封锁,由于没有电流通路, IGBT1、3、5也同样受到保护。
图1．1 IPM的内部结构图
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1.1.3 R系列的IPM在小容量变频器中的应用举例
图1．2是含制动单元的R系列的IPM在小容量变频器中的应用电路。使用IPM时应注意以下各项:
图1．2 应用电路图（含制动单元）
1．控制电源必须有4组,且互相绝缘,上桥臂3组,下桥臂及制动单元的驱动器公用1组。
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2．四组控制电源与主电源间必须加以绝缘,而且,随着IGBT的开关动作,该绝缘部位将有很大的du/dt作用,因此要确保足够的距离,推荐大于2mm。
3．下桥臂控制电源的GND和主电源的GND在IPM内部已连接好了,在IPM的外部绝对不要再连接。如果另外连接,则IPM的下桥臂内、外将由于di/dt而产生环流,容易引起IPM的误动作,甚至有可能破坏IPM的输入电路。
4．图1．2所示的各控制电源上连接的10μF和0 1μF的电容并非滤波电容,而是用于从电源到IPM之间布线阻抗的退耦。若需滤波,应另加电容。另外,从10μF和0 1μF的电容到控制电路间的布线阻抗在过渡过程中是有波动的,应使这段到IPM端子的布线尽量短。上述退耦电容应有较好的频率特性,例如用薄膜电容并联起来。
5．信号输入端上拉,控制信号输入端用20ｋΩ电阻上拉,而且内含制动单元的IPM,如果不使用该制动单元,也要将信号输入端上拉,否则,会由于du/dt的作用而产生误动作。
6．主直流电源出口的大电容,可直接接到P、N端子之间。
1.2开关电源的发展趋势
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣对电子设备的技术指标有重要意义。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源又称为串联调整式稳压电源，其稳定性好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。开关电源SPS（Switching Power Supply）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态下，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%~90%，比普通线性稳压电源提高近一倍。开关电源又称为无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重
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