变频器电力电子器件中智能电力电子模块(IPM)简介

    IPM (Intelligent Power Module)智能电力电子模块是电子集成电路PIC (Power Integrated Circuits)的一种。一类称为高压集成电路，简称HVIC，它是横向高耐压电力半导体器件与控制电路的单片集成；另一类即IPM，它是纵向电力半导体器件与控制电路、保护电路以及传感器电路等多功能集成。由于高度集成化使模块结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等带来的一系列技术难题，使变频器的可靠性得到进一步提高。以下是介绍变频器中最常用的以IGBT为主开关器件的IPM。    IPM的智能化表现为可以实现控制、保护、接口三大功能，构成混合式电力集成电路。    ①IPM的结构。图1-43为IPM的等效电路图，由图可见，IPM是一种包括反并联续流二极管在内的由IGBT组成的逆变器。IC驱动电路G1～G6包含有检测元件和保护电路（未具体画出）。该部分具有以下功能：驱动信号放大，短路保护(SC)，过流保护(OC)，过欠压保护(UV)。IGBT芯片过热保护等。
    图1-43    IPM的等效电路    驱动G4、G5、G6及过热保护电路经R由FO端子输出报警信号。当出现IGBT过流、负载短路或结温过高，则FO信号输出，G4、G5、G6控制相应的IGBT4、IGBT5、IGBT6被封锁。由于没有电流通过，故IGBT1、IGBT2、IGBT3也同样受到保护。    ②IPM的特点。IPM与常规IGBT模块相比，有表1-9所示的特点。    表1-9    IPM与常规IGBT模块相比的特点
    ③IPM的选用  为了选用合适的IPM用于变频器，要根据电动机功率计算其最大峰值电流Ic，再参考该型号元件、过流保护(OC)动作数值来选用。    电动机最大峰值电流可由下式计算    (1-6)    式中，P为电动机功率，W；K1为变频器电流最大过载倍数；K2为电流纹波系数；η为变频器效率；cosΦ为功率因数；UC为交流线电压。    例如：电源为220V交流，电动机功率为3.7kW，K1=150%，K2=120%，η=0.9，cosΦ=0.76，则
    表1-10中可选用Ic（峰值）为36A，50A/600V IPM整定最小过流(OC)动作数值应满足65A。    表1-10    220V电动机变频器用IPM选用表
    表1-11为交流400V电动机用变频器IPM选用表，IPM的耐压为1200V。    ④带PWM整流器的IPM模块    a．PWM整流器技术一般的电力变换装置都含有将交流电压变为直流电压的整流器，整流电路采用二极管元件，只有逆变器部分是用开关器件由PWM控制构成变频器。当需要反馈电动机能量时，电容上的电压升高，将再生电能通过放电电路上的电阻将其转化为热能后白白耗费。    表1-11    交流400V电动机用变频器IPM选用表
    与其不同的设计是一种高效地直接向电源侧反馈电能的新型系统，如图1-44所示。
    图1-44    带PWM整流器的IPM    该电路的特点是有一个PWM整流器接向交流电源侧。当需要再生电能时，整流器的开关器件按PWM规律高速动作，将直流电能反馈至电网。该方式多用于要求频繁加减速的生产机器上，如电梯专用变频器。    b．带PWM整流器的IPM的特点    ≯整流器电路专用FWD芯片。图1-45为FWD的基本结构图。图中的N层为决定正向导通电压UF的主要因素，为了确保耐压，该层不能做得太薄。与一般元件比较，新产品的UF约减少0.5V。
    图1-45    FWD芯片结构    ≯FWD的损耗PWN专用整流模块有两种运行方式。当电网向负载供电时，FWD为整流状态，UF产生导通损耗。当负载向电网再生电能时，IGBT处于高速开关态，将产生开关损耗和集电极射极间饱和电压UCE(sat)损耗。在再生状态时，FWD处于阻断态，则将同时产生阻断损耗和导通损耗。为使再生时FWD的损耗最小，当环境温度T=25℃时取UF标准值为1.5V。但为了抑制阻断损耗的增加，可将UF适当减小，则FWD的整流损耗可再减少20%。