变频电源设计中IPM的基本工作特性

    (1) IPM的结构。IPM由高速、低功率的IGBT芯片和优选的门级驱动及保护电路构成，如图5-3所示。其中，IGBT是GIR和MOSFET的复合，由MOSFET驱动GIR，因而IGBT具有两者的优点。    IPM根据内部功率电路配置的不同可分为四类：H型（内部封装一个IGBT）、D型（内部封装两个IGBT)、C型(内部封装6个IGBT)和R型(内部封装7个IGBT)。小功率的IPM使用多层环氧绝缘系统，中大功率的IPM使用陶瓷绝缘。
    图5-3    D型IPM结构及IGBT等效电路    (a)D型IPM结构； (b) IGBT等效电路    (2) IPM内部功能机制。IPM的功能框图如图5-4所示。IPM内置驱动和保护电路，隔离接口电路需用户自己设计。IPM内置的驱动和保护电路使系统硬件电路简单、可靠，缩短了系统开发时间，也提高了故障下的自保护能力。与普通的IGBT模块相比，IPM在系统性能及可靠性方面都有进一步的提高。    保护电路可以实现控制电压欠压保护、过热保护、过流保护和短路保护。如果IPM模块中有一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号(FO)。各种保护功能具体如下：    1)控制电压欠压保护( UV)：IPM使用单一的+15V供电，若供电电压低于12.5V，且时间超过toff= 10ms，发生欠压保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。
    图5-4    IPM功能框图    2)过温保护(0T)：在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时，发生过温保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。    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foff，则发生过流保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式，过流保护和短路保护操作波形如图5-5所示。其中，UCE为内部门极驱动电压，Isc为短路电流值，IOC为过流电流值，Ic为集电极电流，IFO为故障输出电流。
    图5-5    IPM短路及过流保护操作波形    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di/dt，大多数IPM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的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)，使响应时间小于100ns，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。    当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tfo为1.8ms（SC持续时间会长一些），此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM；故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。    可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果tfo结束后故障源仍旧没有排除，IPM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，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。