智能功率模块原理

工业技术　Ｃ￥ｃｉｅｎａｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｏｎｓｕｌ　ｔｉｎ８　Ｈｅｒａｌｄ目凰圈豳　■誓■翻Ⅱ盟誓啊西幽　ＩＰＭ智能功率模块及其应用　王慧任恩思孔令刚　（兰州交通大学　甘肃兰州）　．：　，　摘要：本文介ａＴ大功率电力电子器件ＩＰＭ智能功率模块，给出了模块的内部电路结构及功能特点。以通用变频电源的设计为例，　介绍了以ＩＰＭ智能功率模块为核心的主电路及其控制电路的设计，说明了参数的计算与设定。　关键词：智能功率模块ＰＷＭ　脉宽调制　中圈分类号：ＴＮ　７　７　３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６＂／３一Ｏ５３４（２ＯＯ７）Ｏ１（ａ）ＯＯ５１＿一Ｏ２　～　１引言　ＩＰＭ是先进的混合集成功率器件，由高　速、低功耗的ＩＧＢＴ芯片和优化的栅极驱动　电路及多种保护电路集成在同一模块内。与　普通ＩＧＢＴ相比，ＩＰＭ在系统性能和可靠性　上均有进一步提高，而且由于ＩＰＭ的通态损　耗和开关损耗都比较低。散热器的尺寸减　小，故整个系统的尺寸更小。ＩＰＭ内部集　控制电源输入的＋端，ＧＮＤＵ、ＧＮＤＶ、　ＧＮＤＷ分别为对应的一端ＶｉａＵ、ⅥｎＶ、ｖｉｎＷ　分别为上桥臂Ｕ、Ｖ、Ｗ相控制信号输入端，　ＶＣｃ、Ｇ　ＮＤ为下桥臂公用控制电源输入Ｉ　￣￣ｉａＸ、ＶｉｎＹ、ＶｉｎＺ分男Ⅱ为下桥臂Ｘ、Ｙ、Ｚ　相控制信号输入端，ｖ豇１ＤＢ为制动单元控制信　号输入端，ＡＬＭ为保护电路动作时的报警信　号输出端。　

图１　ＩＰＭ结构框图　成了逻辑、控制、监测和保护电路，使用　起来方便，不但减少了系统的体积以及开发　时间，也大大增强了系统的可靠性，适应了　当今功率器件的发展方向（即模块化、复合　化和功率集成电路），在电力电子领域得到　了越来越广泛的应用。本文在实验室验证的　基础上对ＩＰＭ的结构、性能进行了论述，并　介绍了其在通用变频电源中的应用。　２　ｌＰＭ结构及性能特点　ＩＰＭ的结构框图如图一所示，其基本结　构为ＩＧＢＴ单元组成的三相桥臂。内含续流　二极管、制动用ＩＧＢＴ和制动用续流二极　管。ＩＰ　Ｍ共有６个主回路端（Ｐ，Ｎ，Ｂ，　ｕ。Ｖ，Ｗ）、１　６个控制端，其中ＶＣＣＵ、　ＶＣＣＶ、ＶＣＣＷ分刖为Ｕ、Ｖ、Ｗ相上桥臂　ＩＰＭ内部含有栅极驱动控制、故障检测和　多种保护电路。保护电路分别检测过流、短路、　过热、电源欠压等故障，当任一故障出现时，　内部电路会封锁驱动信号并向外送出故障信　号，以便外部的控制单元及时对故障信号进行　处理，避免功率器件受到进一步的损坏　由于　采用了由电流传感功能的ＩＧＢＴ芯片，能连续　监测功率器件的电流，从而实现高速的过流保　护和短路保护　也正是由于ＩＰＭ的这些结构厦　性能特点，使其构成的系统的可靠性得到了进　一步的提高。　３通用变频电源设计　【１）硬件电路　通用小功率变频电源采用单相交流电供　电，经整流滤渡后送入逆变桥。再由逆变桥　将该直流电逆变成三相ＶｖⅦ（Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｖｏ扯一　ａｇｅ　Ｖａｒｉａｂｌｅ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）电源，、以驱动电机。　整个系统分为主电路和控制电路两部分；素统　构成框图如图２所示。　主电路采用二极管整流和大容量的电解　电容滤波，ＩＰＭ模块为主电路的核心部分，　它包含６个ＩＧＢＴ，构成三相逆变桥，且各　有自己的驱动电路和保护电路　它的控制输　入及故障检测输入可以兼容ＴＴＬ电平。　控制电路主要由控制电源、以ＳＡ８６６为　核心的ＳＰＷＭ波发生器及驱动电路构成。控　制电源采用７８０５和７８１５提供直流稳压电源。　ＳＡ８６６ＡＥ通过ｌ　Ｏ位Ｄ／Ａ转换器和外接正反，　向方向控制端，可实现电动机转速的连续调节　和正反向的切换。所有的运行参数，如载波频　率、波形．最小脉冲宽度、死区脉宽和　，曲　线等都是通过外接的ＥＥＰＲＯＭ编程。由于输　入电压和反馈能量都将直按反映在直流环节　上，所以，整个系统的电压电流检测及保护取　样均集中在直流环节。驱动逆变桥所需的　ＰＷＭ信号由ＳＡ８６６提供　经ｌ反向后送给ＩＰＭ　模块。　ＥＥＰＲＯＭ选用９３ＬＣ４６，它只需＋５Ｖ　的电压即可工作，可重复地擦写１　０　。　将需要设定的参数写入Ｅ２ＰＲＯＭ，系统在　上电时便自动从　ＰＲＯＭ里面将参数读入　ＳＡ８８６，然后依据所设定的参数，系统产生相　应的脉冲渡形，用来控制主电路中ＩＰＭ模块的　导通或关断　（２）参数计算与设定　载波频率（ＣＦＳ）是外接时钟频率和倍事　系数ｎ的函数，ｎ的十进制值由初始化寄存器　中一个３位的ＣＦＳ字决定。载渡频率凡吣由　式（１）决定。　＝　ｔ（５１２￣２　）　（１）　式中　，ｃ　为时钟输入频率，本系统所　选用的晶振频率为２　Ｏ　Ｍ　Ｈ　ｚ。取ＦＩ＝’１，　ＣＦＳ＝Ｏ０ｌ，实际上　一９．７６６ＫＨＺ。　输出电源频率范围（ＦＲＳ）给出了输出　频率的上限值　频率范围　＝兀燃ｘ２ｍ／３８４，取ｍ　ｌ，即ＦＲＳ＝　（００１）Ｂ　死区时问　（６３一ＰＤＹ）ｆ（允艘ｘ５１２）ｌ　ＰＤＹ在０～６　３之间，取ＰＤＹ－＝３　７：　科技咨询导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｅｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｈｅｒａｌｄ　５１

IPM智能功率模块故障测试

随着了工业制造水平的提高，IPM的生产技术得到了极大的发展，器件的可靠性问题将是未来研究的面临的新挑战。针对国内外近年来在智能功率模块失效分析方面的主要研究内容，综述了智能功率模块应用失效的测试方法以及失效定位技术，总结了连续性失效，绝缘性失效，HVIC故障，IGBT故障，NTC故障的测试方法，并分析了这些器件故障可能的失效原因。最终总结了通过测试方法进行快速IPM失效的故障定位方法。

IPM(Intelligent Power Module),即智能功率模块，将功率开关器件和驱动电路集成在一起，内部包括了过压保护，过流保护，过温保护，短路保护，欠压保护等检测电路。当发生负载事故或使用不当时，可将检测信号送到CPU,保证自身不受损坏。IPM因其运行可靠性高，功能强大，并具有自诊断和保护功能，广泛应用于驱动电机的变频器和各种逆变电源。

IPM的使用过程中会产生各种故障,在尽可能小的破坏芯片的同时，通过功能测试的方法快速定位失效位置是一项非常关键的技术，也是其中不可缺少的一个重要环节。文章从智能功率模块的结构开始，主要介绍IPM电路结构和模块测试方法，为快速故障区域定位提供依据，大大缩短了失效分析周期。

1 IPM电路结构

以三相逆变器为例，其内部结构如图1所示。

图1 智能功率模块内部结构原理图 其基本组件包括：

(1)6个IGBT逆变器电路功率模块，IGBT1到IGBT6组成逆变桥。

(2)6个快速超软恢复续流二极管（ultra-soft Freewheeling Recovery Diode, FRD），FRD1-FRD6是与六个主IGNT反并联的回馈二极管。

(3)3个半桥高压栅极驱动器（High Voltage Integrated Circuit ,HVIC），提供了无需光电耦隔离的IGBT驱动能力，大大降低了逆变系统的总成本。HVIC设定了最佳的IGBT驱动条件，驱动电路与IGBT距离短，输出阻抗低，不需要加反向偏压。

普及与提高・POPULARIZATION&RAISING智能功率模块及其应用

收稿日期:2002-11-26于福振,吴玉广

(西安电子科技大学,陕西　西安　710071)

摘　要:介绍了智能功率模块IPM的一些基本知识,进一步介绍了东芝公司生产的MIG20J106L型IPM的内部原理,并阐述了MIG20J106L型IPM的内部保护功能。同时还给出了MIG20J106L型IPM结合分立元件在电机驱动中应用的设计方案以及MIG20J106L型IPM结合单片机在变频器控制中的应用实例。关键词:智能功率模块;故障保护;脉宽调制;变频器中图分类号:TM301.2 文献标识码:B 文章编号:1001-6848(2003)01-0052-04

IPMMIG20J106LandItsApplications

YUFu-zhen,WUYu-guang(XidianUniversity,Xi’an710071,China)Abstract:SomebasicknowledgeaboutIPMispresentedinthispaper,furtherintroducedthetheoryofIPMMIG20J106LmadeinToshibacom.Ltd.Itsapplicationisalsoexpatiatedhere.Emphasizeprotectionfunctioninsideit.Inthispaper,theprojectofdiscrete-componentandIPMMIG20J106Lcombinationisadoptedtodesigntheinverter,mechanismoftheproductionofthree-phasedPWMwaveintheinverterisanalyzed.AnotherexampleistheprojectofSCMandIPMcombination.Keywords:intelligentpowermodule;errorprotection;PWM;inverter

具有集成驱动器的IPM智能功率模块

作者：海飞乐技术 时间：2018-05-23 13:27

智能功率模块(IPM)是在一个外壳中包含驱动器电路和功率级的完整的集成模块。赛米控是第一家推出原边和副边CIB功率范围从4kW-22kW功率范围的IPM生产商。新模块是基于MiniSKiiP®封装中的一个已确定的CIB模块，其特点是采用了高级SOI(绝缘体上外延硅)高压集成电路(HVIC)技术，封装可靠且高成本效率，并具有优秀的导热性能。对于标准工业驱动应用，新模块的做法符合向集成功率模块解决方案发展的市场趋势，这一点已从消费市场知晓。

过去10年，那些用于600-1200V，最大电流为30A应用的智能功率模块(IPM)中，高压集成电路(HVIC)已日益取代传统混合驱动器方案，主要原因是要求组件尺寸变小，成本降低并提高可靠性。使用HVIC还能优化功能，而无需增加成本。

图1 配备了集成驱动器的600V CIB(整流-逆变-制动)模块的电路图

栅极驱动器概念除了原边与副边之间带脉冲变压器或光电耦合器的标准栅极驱动器电路，对于在电压隔离方面要求相对低一些的应用也使用电平转换电路。电平转换电路只从高电位向低电位传输差异，反之亦然。在简单的电平转换电路中，如果电位关系发生变化，则没有信号传输。如果有了互补的电平转换电路，就可以避免了。然而，这意味着需要额外的高压器件。此外，集成驱动器电路中所使用的现有pn隔离技术只支持低于负电源电压的器件。如果寄生pn结构被低电压尖峰触发，则会出现拴锁效应，从而导致驱动器故障，甚至损坏变频器中的功率模块。目前没有在二次侧支持负信号的电平转移概念。但是，它们对于运用于中等功率范围(4-22kW)的IPM来说是绝对必不可少的。在具有较高开关电流的系统中，由于寄生电感的存在，正负电压的转换会产生电压尖峰。电压的瞬变可能会导致下管IGBT开关栅极一发射极电位发生变化，在极端情况下，可能会导致IGBT不必要的开关。将分流电路集成到IGBT的发射极路径中，也会导致发射极电平产生变化，从而驱动器IC的原边和副边之间出现电平转换。