智能模块IPM在双PWM变频器中的应用

前言
变频技术自发展以来，随着技术的进步，变频器的功率器件也经历了从SCR, GTO到IGBT的发展历程，控制方式也从初的v/f控制，发展到矢量控制，直接转矩控制。然而，电力变换技术的进步和电力变换器的广泛应用也带来了很多弊端，其产生的公害－电磁干扰以及谐波污染已成为世人关注的社会问题。而双PWM变频调速技术以其可以实现电机的四象限运行、能量转换效率高、能量能双向流动，尤其是能方便地实现电网侧输入功率因数近似为1，消除了谐波污染等特点已成为研究的一个热点。
双PWM变频器中整流及逆变部分均需要采用六个IGBT开关管进行控制，如果采用单独的IGBT开关管再加上续流二极管，势必会使得变频器的体积增大，即加大了设计的复杂性又增加成本。而采用IPM智能模块就可以很方便的节约成本和减少体积。文中所介绍的IPM智能模块是富士公司型号为6MBP20RH060的IPM智能模块，它内部具有低功耗、软开关、高性能及拥有过热保护的高可靠性IGBT。内置有过电流保护、短路保护、控制电压欠压保护、过热保护及外部输出警报端口。用这样的模块作为双PWM变频器的功率器件，大大简化了硬件电路的设计，缩小了电源体积，简化了接线，大大缩短了开发周期，更主要的是，它提高了系统的安全性和可靠性。
IPM智能模块介绍
结构原理
IPM智能模块6MBP20RH060的内部结构原理如所示，其内部集成了六个带续流二极管的IGBT。从内部结构可以看出，上桥臂的三个IGBT分别由各自的电源供电，分别有三组结构相同的输入，每一组包括电源输入端、驱动输入端、接地端。下桥臂的三个IGBT由同一个电源供电，电路有电源输入端、三个驱动输入端、接地端。ALM管脚的作用是保护电路动作时下桥臂警报输出，6MBP20RH060型号不具备上桥臂桥臂警报输出，只有下桥臂桥臂警报输出。 IPM智能模块的U、V、W为模块的三相交流电输入或输出，P、N1、N2为模块的直流电输出或输入，具体设计将在下文中给出。

IPM智能模块6MBP20RH060的内部结构图
电气特性
该模块的电气性能为额定电流20A，耐压值为600V，直流母线耐压值450V，浪涌值为500V。开关频率为20KHz。在双PWM变频器中，整流和逆变部分均使用该性能的IPM模块就可以达到设计的要求。
保护功能
(1)过电流保护。检测连接在直流N母线上的电流检测分流电阻R(见中)的两端电压来进行过电流保护。在约5ms期间内连续超过过电流保护标准，则会软关断IGBT。并且装有检测滤波器，可以防止因瞬间过电流及噪音而导致的误动作。
(2)短路保护功能。在短路保护动作时，全部短路保护连动，来抑制负载短路及桥臂短路时的峰值电流。
(3)控制电源电压下降保护功能。控制电源电压在约5ms期间内连续低于控制电源电压不足保护电压时，该功能会软关断IGBT。约过2ms后，控制电源电压恢复后，如果输入信号为OFF，则警报解除。
(4)外壳温度过热保护功能。该保护功能通过与功率芯片安装在同一陶瓷基板上的温度检测元件来检测绝缘基板温度，当检测温度连续超过保护标准约1ms以上时，会软关断IGBT。
(5)芯片温度过热保护功能。该功能将通过在全部IGBT芯片上的温度检测元件来检测IGBT芯片温度，当检测温度连续超过保护标准约1ms以上时，会软关断IGBT。
(6)警报输出功能。保护功能动作时，警报输出端子相对各基准电位GND导通，有能力以放开集电极输出，直接驱动光耦器，内置1.5KΩ的串联电阻。保护功能动作时，警报信号输出约持续2ms，当警报原因消除时，再经过2ms以上，而且输入信号为OFF的话，则警报解除。下桥臂各驱动电路的警报端子相互连接，所以任何一个IGBT一旦输出警报，则包括制动电路在内的下桥臂全部IGBT停止。
基于IPM的双PWM变频调速系统框图
IPM驱动的典型电路
IPM故障输出典型电路
基于IPM智能模块的电路设计
主电路设计
双PWM变频调速系统，整流和逆变部分均采用可控的开关器件来实现，即采用两个IPM智能模块来分别实现其功能，结构框图如所示。在双PWM变频器整流部分IPM智能模块的U、V、W作为三相交流电的输入端，P、N分别是整流输出的直流电压的正、负极，逆变部分的IPM智能模块的U、V、W作为三相交流电的输出端，可直接接电机等被控对象，P、N作为直流输入端可直接接整流部分的直流输出段，即P-P、N-N连接。N1和N2短接作为N端。控制元件采用TI公司的TMS320LF2407DSP，该芯片是一款专为电机控制设计的DSP，不仅具有普通信号处理器的高速运算功能，还有丰富的片内外设，尤其是其具有两个事件管理器，共12路PWM输出，正好用于控制双PWM变频系统的12个开关管的控制，为了防止同一桥臂的上下IGBT通知导通，可以很方便的在DSP中设置死区时间。
IPM驱动电路设计
IPM驱动采用Agilent(安捷伦)公司的高速、高共模比的光耦HCPL-4504。该光耦具有极短的寄生延时，适用于IPM使用；瞬时共模；IPM专用的电气隔离；TTL兼容等特点。所示为IPM上桥臂一组驱动的典型电路接线图。接线中要注意几点：光耦的7、8脚要短接；IPM功率越大上拉电阻值越小；光耦副边的引线要尽量小于2cm。故障输出光耦合器接入IPM智能模块的ALM输出端，是当发生故障时，向外部输出信号以封锁PWM信号，这里的光耦不需采用高速光耦，可以采用东芝的TLP521光耦，其典型电路如所示。其中C端表示控制端口，当故障发生时，可以将外部控制或保持PWM信号的芯片封锁，关断所有的PWM信号输入，即可保护IGBT。
IPM控制电源电路设计
IPM控制电源要求范围是13.5V~16.5V，尽量是在15V值下工作，当电压低于13.5V时损耗会增加，保护特性会漂移，会导致保护功能不够充分，致使IPM损坏。因此说对于IPM来说，控制电源是非常重要的，直接影响整个系统的性能。IPM控制电源可以采用开关电源，如TOPSwitch系列的单片开关电源，也可以采用7815等组成的电源，设计电路比较简单，在、中就已经可以看到电源的接法了。但设计中要注意两个问题：一是上桥臂三组电源及下桥臂一组电源各自组成一个回路，即四组电源是绝缘的，切不可将其共地。二是两个IPM模块要使用两套(每套四个绝缘电源)电源，不可为节约成本使用一套电源，否则会造成短路事故。
结语
双PWM变频调速系统以其优越的性能越来越受关注，但整流部分由原先的整流二极管替换成可控器件势必增加了成本，然而IPM智能模块的出现不仅为降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保护性能为设计提供了极大的方便。因此采用IPM智能模块设计双PWM变频调速系统具有电路设计简单、保护措施完善、体积小等特点，具有很好的发展前景。