智能功率模块

概述

　　随着电子技术的发展，功率半导体技术已经成为现代电力电子技术的核心。以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为代表的功率器件，在众多工业控制领域得到越来越广泛的应用。IGBT作为一种典型的双极性MOS复合型功率器件，集MOSFET与GTR(大功率晶体管)的优点于一身，既具有输入阻抗高，开关速度快，热稳定性好和驱动电路简单的长处，又具有通态电压低，耐压高和承受电流大的优点。

结构形式

　　IPM是由高速低功耗的IGBT芯片和优先的门级驱动及保护电路构成，如图1所示。根据内部功率电路配置的不同，IPM分为H型、D型、C型和R型4种。图中，H型内部封装1个IGBT，D型内部封装2个IGBT，C型内部封装6个IGBT，R型内部封装7个IGBT。

内部机制

　　IPM内部设有栅极驱动控制电路、故障检测电路和各种保护电路，采用带有电流传感器的IGBT芯片，用以监测IGBT的主电流。而内部故障保护电路主要用以检测过流、过热和欠压等故障。图2为IPM功能框图。

保护功能

　　智能功率模块内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统的开发周期，也提高了系统在故障情况下的自我保护能力。与普通的IGBT模块相比，由于增加了保护电路，因而智能功率模块在系统性能及可靠性方面都有很大的提高。

　　(2)过热保护(0T)：在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当智能功率模块温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过热保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。

　　(3)过流保护(0C)：若流过IGBT的电流值超过过流动作电流，且时间超过toff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号Fo。为避免发生过大的电流变化率di/dt，大多数的智能功率模块采用两级关断模式。如图4所示。

　　(4)短路保护(SC)：若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流，则立刻发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。跟过流保护一样，为避免发生过大的电流变化率di/dt，大多数智能功率模块采用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作问的响应时间，智能功率模块内部使用实时电流控制电路(RTC)，使响应时间小于100 ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。

　　当智能功率模块发生UV、OC、OT、SC中任一种故障时，智能功率模块将立即输出故障信号Fo，该故障信号持续时间tFo为1.8 ms(SC持续时间会长一些)，此时间内智能功率模块会封锁门极驱动，关断智能功率模块。当故障输出信号持续时间结束后，智能功率模块内部会自动复位，门极驱动通道重新开放。

　　智能功率模块器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果在tFo结束后故障源仍然没有被排除，则智能功率模块就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，设计时应避免其反复动作，因此仅靠智能功率模块内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。为了使系统真正安全、可靠地运行，通常需要设计辅助的外围保护电路。同时，智能功率模块对欠压、过流、短路和过热等故障发生时，均输出同一个故障信号Fo因而主控系统无法判断故障产生的具体原因，还需要更进一步的故障诊断技术。