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智慧功率模組的原理,及在弧焊機逆變器中的應用優點

智慧功率模組(IPM)把IGBT和驅動電路集成在一起, 同時內置過電流、過熱和欠壓等故障檢測電路, 通過電流感測器和溫度感測器檢測信號並把信號送到數位訊號處理器作中斷處理。 當外接負載出現故障或IPM自身使用不當時——如控制電源欠壓鎖定保護、過熱保護、過流保護和短路保護中任一種保護功能出現動作時, 內部電路將會自動封鎖IGBT驅動信號, 並立即輸出故障信號FO, 使IPM得到保護而不受損壞。

按照內部功率電路配置的不同, IPM可分為H型、D型、C型和R型四類, 它們內部分別集成1個、2個、6個和7個IGBT。 以PM200DSA060型IPM為例, 它屬於D型IPM,

圖1是內部電路框圖, 圖2是PM200DSA060內部結構圖,每個單元都有自己的驅動電路和續流二極體, 封裝形式為基片式絕緣封裝。

其上橋臂的兩個單元控制驅動部分, 具有相同的特性, 在控制端的每個單元有四個引腳, 分別是電源、地、信號輸入、故障輸出腳, 這些引腳不能與其他IGBT單元的同名引腳短接, 也不能使用同一驅動電源;而下橋臂的兩個單元, 它們的電源、地和故障輸出腳都是短接的, 使用同一電源, 採用集體故障報警。 這些控制引腳, 以插針狀排列在模組上表面, 連接時用排插即可, 具體控制引腳的功能如表1所示。

圖1 IPM內部電路框圖

圖2 PM200DSA060內部原理圖

表1 控制引腳功能

IPM的優點

與常規的IGBT模組相比, IPM具有如下優點:

(1) 開關速度快, 抗干擾能力強。 IPM內部集成的高速型IGBT, 通過優化設計, 驅動電路緊靠IGBT晶片, 驅動延時小, 開關速度快;同時信號傳輸阻抗大大減少, 受外界干擾小, 因此不需加反向偏壓, 另外, IPM模組採用自舉電路, 擺脫控制電源不共地的限制, 使用同一個電源, 控制更加方便, 抗干擾能力更強。

(2) 保護功能齊全。 IPM內置電流保護、電壓保護和溫度保護等多種電路保護。 工作時即時檢測IGBT電流, 當發生嚴重超載或直接短路時, IGBT將被軟關斷, 同時送出一個故障信號;通過自動檢測驅動控制電路電壓, 在發生過電壓和欠電壓故障時, 驅動信號被截止,

IGBT被軟關斷;在靠近IGBT的絕緣基板上安裝有溫度感測器, 當基板過熱時, IPM內部控制電路將截止柵極驅動, 不回應輸入控制信號。 通過各種保護的共同作用, IGBT因故障損壞的幾率大大降低。

(3) 低功耗, 散熱效果好。 通過模組化, 大大減少了元件數目和許多傳統連線, 體積相應小, 同時模組內部的IGBT導通壓降低, 開關速度快, 因此IPM功耗較小。 IPM採用陶瓷絕緣結構, 扁平封裝, 可以直接安裝在散熱器上, 因而散熱效果好。

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