IPM智能功率模块的外围电路设计
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IPM(智能功率模块)学习报告IPM(智能功率模块)是一种先进的功率开关器件,兼有GTR(大功率晶体管)高电流、低饱和电压和高耐压的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点。
而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路,使用起来方便,不仅减少了系统的体积,缩短了开发时间,也增强了系统的可靠性,适应了当今功率器件的发展方向,IPM在功率电子领域得到了越来越广泛的应用。
日本三菱公司的模块代表当今模块技术的发展水平。
该公司20世纪80年代末就致力于研究开发代智能保护功能的功率模块,目前已生产出用于110KW变频器的IPM模块,居世界领先水平。
下图1为型号为PM10CSJ060(V CES=600V,I C=10A)的六单元IPM原理图。
其拓扑结构如图2。
模块中封装了6个IGBT,模块内部也集成了对各个IGBT的驱动及保护电路。
P、N为直流输入或输出,U、V、W为三相输入或者输出。
VUP1-VUPC,VVP1-VVPC, VWP1-VWPC, VN1-VNC模块内部电源,典型值为15V,工作时应该在13.5 V~16.5 V之间。
UFO,VFO,WFO和FO分别为相应的故障输出引脚。
UP、WP、VP、 UN、WN、VN分别为对应的IGBT控制引脚。
图1.PM10CSJ060(六单元IPM原理图)图2. 六单元IGBT拓扑结构图需要注意的是,模块要求U,V,W三相的上桥臂驱动电源必须由3个相互隔离的独立电源供电,U,V,W三相的下桥臂公用1个驱动电源。
驱动电源均为+15V电源。
直流母线电压即P,N间的电压推荐不高于450V。
在25℃时,功耗不大于39W。
工作环境温度范围为-20~+100℃。
高速IPM器件的光耦一般接成如图图中对驱动隔离光耦本身有一定的要求,一般- <0.8μs, CMMR>10kV/μs,同时应在IPM的控制电源上加一个10μF的低感高频退耦电容。
硬件设计论文模板(10篇)二、SVG各硬件电路组成(二)IPM及其驱动电路。
通过计算智能功率模块(IPM)参数,选用型号为PM25CLA120的IPM(25A,1200V),内部有IGBT,内含驱动电路。
通过资料得知IPM驱动电路的控制电源电压范围为13.5V~16.5V,本文选用4路隔离的l5V直流电源。
利用DSP发出PWM信号经光耦器件隔离后作为驱动信号对IPM进行控制。
(三)电流调理电路。
该电路可将18A的电网电流相量转换成0~3Vpp 的电压信号并实现过零点检测功能。
该电路与电压调理电路的组成基本一致,不同之处在于互感器TVA1421-01用作电流互感器,采样电阻取59Ω。
若一次侧电流为18A,二次侧输出(-0.5~+0.5)V的正弦波;经放大电路,输出电压(-1.5~+1.5)V的正弦波;最后经过加法电路输出(0V~3.00V)的电压信号。
同时大于50Hz的正弦信号被滤除。
过零比较电路在正弦波的过零时刻输出下降沿跳变。
(四)锁相环电路。
本文采用了由TI公司生产的CD7H4C4046型锁相环芯片对电网频率进行跟踪,避免了利用固定频率采样时产生的误差。
本系统中,锁相环的输出信号有两大作用:一是作为ADC模块的转换触发信号;二是作为事件管理器A(EVA)的时钟输入信号。
通过锁相环电路使其产生跟随电网频率变化的SP-WM波,从而精确控制后级逆变器。
加密是对软件进行保护的一种有效手段。
从加密技术的发展历程及发展趋势来看,加密可大体划分为软加密和硬加密两种。
硬加密的典型产品是使用并口的软件狗,它的缺点是端口地址固定,容易被逻辑分析仪或仿真软件跟踪,并且还占用了有限的并口资源。
笔者设计的基于PCI总线的加密卡具有以下几个优点:第一,PCI总线是当今计算机使用的主流标准总线,具有丰富的硬件资源,因此不易受资源环境限制;第二,PCI设备配置空间采用自动配置方式,反跟踪能力强;第三,在PCI扩展卡上易于实现先进的加密算法。
IGBT及IPM的⼯作原理和检测⽅法l 、判断极性⾸先将万⽤表拨在R×1K 。
挡,⽤万⽤表测量时,若某⼀极与其它两极阻值为⽆穷⼤,调换表笔后该极与其它两极的阻值仍为⽆穷⼤,则判断此极为栅极(G )。
其余两极再⽤万⽤表测量,若测得阻值为⽆穷⼤,调换表笔后测量阻值较⼩。
在测量阻值较⼩的⼀次中,则判断红表笔接的为集电极( C ) :⿊表笔接的为发射极( E )。
2 、判断好坏将万⽤表拨在R×10KQ 档,⽤⿊表笔接IGBT 的集电极(C ) ,红表笔接IGBT 的发时极( E ) ,此时万⽤表的指针在零位。
⽤⼿指同时触及⼀下栅极(G )和集电极(C ) ,这时⼯GBT 被触发导通,万⽤表的指针摆向阻值较⼩的⽅向,并能站们指⽰在某⼀位置。
然后再⽤⼿指同时触及⼀下栅极(G )和发射极( E ) ,这时IGBT 被阻断,万⽤表的指针回零。
此时即可判断IGBT 是好的。
3 、注意事项任何指针式万⽤表铃可⽤于检测IGBT 。
注意判断IGBT 好坏时,⼀定要将万⽤表拨在R×IOK挡,因R×IKQ 档以下各档万⽤表内部电池电压太低,检测好坏时不能使IGBT 导通,⽽⽆法判断IGBT 的好坏。
此⽅法同样也可以⽤护检测功率场效应晶体管( P ⼀MOSFET )的好坏。
电磁炉上的⼤功率管IGBT的检测⽅法IGBT管的好坏可⽤指针万⽤表的Rxlk挡来检测,或⽤数字万⽤表的“⼆极管”挡来测量PN结正向压降进⾏判断。
检测前先将IGBT管三只引脚短路放电,避免影响检测的准确度;然后⽤指针万⽤表的两枝表笔正反测G、e两极及G、c两极的电阻,对于正常的IGBT管(正常G、C两极与G、c两极间的正反向电阻均为⽆穷⼤;内含阻尼⼆极管的IGBT管正常时,e、C极间均有4kΩ正向电阻),上述所测值均为⽆穷⼤;最后⽤指针万⽤表的红笔接c极,⿊笔接e极,若所测值在3.5kΩl左右,则所测管为含阻尼⼆极管的IGBT管,若所测值在50kΩ左右,则所测IGBT管内不含阻尼⼆极管。
广西功率模块dipipm原理广西功率模块DIP-IPM是一种用于驱动电机的功率模块。
它采用了直插封装的形式,具有高集成度和高性能的特点。
DIP-IPM模块利用了现代半导体技术,将多个功能模块集成在一个封装内,实现了对电机的高效驱动。
其原理主要包括三个方面:输入电路、输出电路和保护电路。
输入电路是DIP-IPM模块的控制部分,主要由驱动电路和控制逻辑电路组成。
驱动电路负责将控制信号转换为适合驱动电机的电压和电流信号。
控制逻辑电路则负责接收来自控制器的命令,对驱动电路进行适当的控制,以实现对电机的精确控制。
输出电路是DIP-IPM模块的功率部分,主要由功率开关器件和电流传感器组成。
功率开关器件负责将输入电路产生的电压和电流信号转换为适合电机的电压和电流信号。
电流传感器则负责监测电机的电流,并将监测结果反馈给控制器,以实现对电机的闭环控制。
保护电路是DIP-IPM模块的安全部分,主要由过流保护、过温保护和过压保护等功能组成。
过流保护用于监测电机的电流是否超过设定值,一旦超过则及时切断输出,以防止电机损坏。
过温保护用于监测模块的温度是否超过设定值,一旦超过则及时切断输出,以防止模块过热。
过压保护用于监测电机的电压是否超过设定值,一旦超过则及时切断输出,以防止电机过压。
除了以上几个主要方面,DIP-IPM模块还具有其他一些特点。
首先,它采用了高效的功率开关器件,能够实现高效的功率转换,提高电机的效率。
其次,它采用了先进的控制算法和调制技术,能够实现精确的电机控制和低噪音的运行。
此外,DIP-IPM模块还具有良好的散热性能和可靠的工作寿命,能够适应各种恶劣的工作环境。
广西功率模块DIP-IPM是一种用于驱动电机的高集成度和高性能的功率模块。
它采用了先进的半导体技术,通过输入电路、输出电路和保护电路等部分的协同工作,实现了对电机的高效驱动和精确控制。
它具有高效、精确、可靠的特点,能够满足各种工业应用的需求。
ipm自举电压波形
IPM(Intelligent Power Module,智能功率模块)的自举电压波形是指IPM在自举过程中的电压变化情况。
自举是指IPM在无外部电源的情况下,通过内部的电路来产生所需的驱动电压。
在IPM中,通常有一个内部的高压电源,通过一定的电路来将该高压电源转换为所需的驱动电压。
自举电压波形通常包括两个阶段:充电阶段和放电阶段。
在充电阶段,IPM的内部电路将高压电源的电能储存起来,以便在后续的放电阶段使用。
在这个阶段,电压波形通常呈现出逐渐上升的趋势,直到达到所需的驱动电压。
在放电阶段,IPM的内部电路将储存的电能释放出来,为后续的功率开关操作提供所需的电压。
在这个阶段,电压波形通常呈现出稳定的平台状态,以保持驱动电压的稳定性。
需要注意的是,IPM的自举电压波形受到IPM内部电路设计和控制策略的影响,因此具体的波形特征可能会有所不同。
此外,由于IPM的自举电压是通过内部电路产生的,因此其电压范围和稳定性可能会受到一些限制。
ipm模块工作原理IPM模块是一种集成电路,用于测量和控制电机的转速和位置。
它在许多应用中起着关键作用,如工业自动化、机器人技术和电动汽车等。
IPM模块的工作原理是基于电磁感应和电子控制的原理。
当电机转动时,IPM模块通过感应电路检测电机的位置和转速,并将这些信息传递给控制器。
控制器根据接收到的信息,通过调节电机的电流和电压来控制电机的转速和位置。
具体来说,IPM模块中包含了多个传感器和电路。
其中最重要的是霍尔传感器,用于检测电机的位置。
霍尔传感器通过感应电机中的磁场变化来确定电机的位置,它可以提供高精度的位置信息。
此外,IPM模块还包括了电流传感器,用于测量电机的电流,以及其他辅助电路,如功率放大器和逻辑电路。
IPM模块通过感应电机的位置和转速来实现闭环控制。
在闭环控制中,控制器根据目标位置和转速与实际位置和转速之间的差异,计算出电机应该输出的电流和电压。
然后,IPM模块将这些信号转换成电机可以理解的信号,并将其传递给电机驱动器。
电机驱动器根据接收到的信号,控制电机的电流和电压,从而实现对电机的精确控制。
IPM模块的工作原理可以总结为以下几个步骤:1. 通过霍尔传感器检测电机的位置。
2. 通过电流传感器测量电机的电流。
3. 将位置和电流信息传递给控制器。
4. 控制器根据接收到的信息计算出电机应该输出的电流和电压。
5. IPM模块将控制信号转换成电机可以理解的信号。
6. 电机驱动器根据接收到的信号控制电机的电流和电压。
7. 电机根据控制信号的调节转速和位置。
IPM模块的工作原理使得电机的控制更加精确和可靠。
它可以提供高精度的转速和位置控制,从而满足各种应用的需求。
此外,IPM 模块还具有较高的效率和可靠性,能够在长时间运行和重负荷条件下工作。
IPM模块是一种重要的电机控制器,通过感应电机的位置和转速,实现对电机的精确控制。
它在工业自动化、机器人技术和电动汽车等领域有着广泛的应用前景。
通过了解和掌握IPM模块的工作原理,我们可以更好地理解和应用电机控制技术。
第30卷第4期 2014年7月 齐齐哈尔大学学报
Journal of Qiqihar University Vo1.30.No.4 July,2014
I P M智能功率模块的外围电路设计
邱兴阳 (湄洲湾职业技术学院,福建莆田351254)
摘要:随着变频技术的发展,在不同领域的各种产品都在使用变频技术,变频技术具有很好的节能效果和经济性。 IPM智能功率模块是集驱动电路、欠压、短路、过热等保护电路于一体,结构简单、损耗小、重量轻、体积小、 使用可靠等优点,可作为变频技术的核心模块。IPM智能功率模块的不仅使系统的设计时间缩短而且还使系统的 可靠性得到提高,同时还能使系统的硬件电路变得简单,缩小系统的尺寸。但IPM内部不含防干扰信号的隔离电 路和浪涌吸收电路,为了使智能功率模块IPM能可靠安全稳定运行,就需要设计IPM的外围驱动保护电路。 关键词:智能功率模块;驱动电路;保护 中图分类号:TM02 文献标志码:A 文章编号:1007—984X(2014)04—0005—04
变频技术是使用电设备在其电压不变的情况下对其电源电压的频率进行改变,让用电设备发挥最大功 效以及节能用电。在空调、洗衣机、电冰箱、微波炉、电磁灶等家用电器中已被广泛采用;在逆变电源、 不停电电源、地铁、电力机车、电梯等产品中也有采用,可以说其市场前景很可观…。随着IPM智能功率 模块的发展,IPM把IGBT芯片、控制Ic、封装的三种技术集合一起,以控制IC为核心,提供驱动与完善 的保护功能。IPM是一种先进的功率开关器件,兼有GTR(大功率晶体管)高电流、低饱和电压和高耐压 的优点,以及MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱动功率的优点,IPM已成为变频 技术中功率变换的关键组件之一。 IPM在变频技术中的应用,使得应用设计更简捷;组装及测试自动化,系统可靠性更高;内部电路布 线设计优化,可有效抵制干扰;通态损耗和开关损耗较低,所需散热面积较小;用标准化逻辑电平控制电 路中的门控接口,扩充规格时无须另行设计驱动电路;具备强有力的自动保护和故障检测功能;性价比高 于IGBT模块,有很好的经济性。IPM内部虽具有驱动电路,但必须提供15V的稳定驱动电源和控制IGBT 导通关断的开关信号,但IPM内部电路不含防止干扰的信号隔离电路、自保护功能和浪涌吸收电路。为了 保证IPM安全可靠运行,需要设计其外围驱动电路 】。
1 IPM端子的特点及使用注意事项 1.1 IPM端子的特点 (1)IPM的输人端若是低电平信号将会使其内部的IGBT开通,而通常在使用IPM时,会将IPM的一 个输入端通过上拉电阻接到控制电源正极,因此只要将另一输人端拉低就会产生一个“开通”信号。 (2)IPM的故障输出端是一个“OC门”电路,一旦发生故障,集电极开路端就会接通,故障输出端 就会从控制电源正端吸收电流。 (3)IPM的上桥臂接口电路之间、上下桥臂接口电路之间存在寄生电感,使用时会产生噪声问题,为 了避免du/dt噪声耦合到控制电路,在布线要尽可能的短。 (4)IPM的电源接线端间存在杂散的寄生电感,电源母线之间也有寄生电感的存在。因此在布线时, 电源母线应尽可能短,并加上适当的缓冲电容,从而减少对IPM工作的影响。 1_2 IPM使用注意事项 IPM智能功率模块虽然自身有着比较完善的保护措施,但在实际使用中还应该注意以下几个方面的事
收稿日期:2014—03—15 作者简介:邱兴阳(1981一),男,仙游人,讲师,工学硕士,主要从事电气、电子应用研究,515ok@163一m。 齐齐哈尔大学学报 2014钲 项 : (1)避免因静电而击穿,确保模块在使用前要一直用石墨织物等将其控制端子短路,不要用手直接接 触端子,焊接过程中烙铁头要接地、设备、工作台面和人都应接地。 (2)由于IPM通常工作在信号控制的高频开关状态,且电流较大温度上升较快。即使有过温保护功 能,但急剧的温升仍然对1GBT构成威胁,因此对散热器的设计要求较高。另外在散热器与模块之间的接 触面还要加上100—200 m的导热硅脂,以降低接触面的热阻同时也可以避免接触表面被腐蚀。 (3)在内置制动单元的IPM中,当不使用制动时应将DB输人端子用20 kQ上拉电阻连于 c。否则, du/dt可能引起误动作。而对于6封装(即无制动单元)类型,应将B端子接到N或P电位上以避免在悬空状态 下使用。 (4)上桥臂侧仅有保护动作而无报警输出,当下桥臂侧出现异常时才会输出故障信号。 (5)4组控制电源与主电源间必须加以绝缘。而且,随着IGBT的开关动作,该绝缘部位将有很大的 du/dt作用,因此还要确保足够的距离。上电时应先接通控制电源,然后再加主电源;如果先加主电源,则 可能在保护电路还没动作时IPM已损坏。
2 IPM外围电路的设计 2.1 lPM外部驱动隔离电路设计 在以MCU或DSP为控制核心的变频控制技术中,MCU与DSP发出的开关脉冲控制信号要通过光电隔 离才能连接到IPM的控制端,这样既可以增加系统的抗干扰能力,而且不会将主电路的电压引入控制部分。 高速光耦的品种和类型很多,本文选用6N 1 37高速光耦来举例设计IPM的外部驱动隔离电路。6N 1 37光耦 合器是一种单通道的高速光耦器件,其内部由一个波长为850 nm的A1GaAs LED和一个集成检测器组成。 其中检测器是由一个光敏二极管、高增益线性运放以及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有 温度、电流和电压补偿功能,高输人,输出隔离,L Ⅳ丌L兼容,高速(典型为IOMBd),极小的输入电流 (5 mA)o单路脉冲信号驱动隔离电路如图1所示。图中上拉电阻 。通常取几百欧,典型值为350& ̄。C 一般接容量为0.1 的高频特性良好的电容,如瓷 介质或钽电容,且应尽量放在脚5和脚8附近(不 要超过1 cm)。尺 的通常采用500 Q左右的电阻, 用来限制输人电流,在可能的情况下尼的值取越大 越好。 为去噪电容,容量通常取10~100pF。6N137 光耦性能优越,外接电路简单,但价格相对过于昂 贵,在变频技术的功率变换模块中需要多个6N137 光耦,若系统要进行批量生产则无法降低成本。 IPM外部驱动隔离电路主要是将开关脉冲信号
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5 ̄137 IPM锄 网1 6N137单路脉冲信号隔离驱动电路
1IP,1,P 肝 U VNJ WN
通过光耦来传送,若在变频应用的工作频率是在5 kHz以下的场合,那可以采用另一种低成本的IPM脉冲 隔离电路。因为系统的工作频率不高,驱动隔离电路采用TLP521或PC817等普通光耦就能实现。其脉冲 信号驱动隔离电路如图2所示H 。图中R 为脉冲输人端的上拉 电阻,其阻值大小取决于MCU/DSP端口脉冲信号的最大灌电 流。电阻尺 必须保证光耦工作在饱和状态,使光耦的响应时问 最短。 :的值取决于光耦在d端的额定输人电流和 的额定 值。尼的取值必须保证c—e极间有足够的电流,当c—e极导通 时, 为低电平;同时尼与C0组成滤波电路,对脉冲信号进 行RC滤波,为了使脉冲开关信号的上升和下降沿尽量陡,C0 的取值应小于l 000pF。R4的阻值取决于三极管 的b—e两端 的电压和三极管的基极电流厶。 图2低成本单路脉冲信号隔离驱动电路
对于一般的变频控制来说,系统的工作频率一般低于5 kHz,采用TLP521或PC817等普通光耦设计的 第4期 IPM智能功率模块的外围电路设计 ・7・ 驱动隔离方案成本大约只是采用高速光耦HCPL4504方案的1,5,因此它是一种比较经济实惠的设计方案, 在大多的变频应用中都可以使用。 2.2 IPM故障信号输出电路设计 ‘ IPM的故障信号输出端子Fo是阳极开放型的端子,因此在使用时必 … …1 + V,+ V
须接上拉电阻将其电位拉高到+5V,+l5V电源电位,其电路如图3所示。 在电路工作正常时,IPM的故障信号输出端子 为高电平,光耦关 断。接MCU/DSP控制器的故障信号为高电平。当发生故障时, 为低 电平,光耦导通,则把MCU/DSP控制器的故障信号端的电位拉低,变 为低电平。 2.3 lPM缓冲电路设计
=
图3IPM故障信号输出电路
为了消除IPM工作时浪涌电压,在使用IPM的时候需要在IPM的P、N端子间应加缓冲电容,缓冲电 容采用容量为0.1 0.22 的普通电容即可, 布线时,由于母线电感及元件内部的杂散电感 对IPM有极大影响,因此直流母线应尽可能的 短,缓冲电容应尽可能与IPM模块靠近。IPM的 过载保护功能需要外部配置旁路电阻,旁路电 阻需采用功率型电阻,通常优先选用RGC无感 电阻。一般采用5~IOW功率的电阻,由于该 电阻阻值较小(一般为m,Q),所以要求电阻要 具有稳定的温度特性,否则当温度变化较大时, 会影响到IPM的短路保护检测。IPM的缓冲电 路如图4所示。
3结束语 图4IPM的缓冲电路
U V W
随着变频技术的日趋成熟,以IGBT为主 要功率器件的新型智能模块(IPM)在变频家电中的应用也越来越广泛,IPM智能功率模块与普通IGBT相 比,在系统性能和可靠性上均得到明显的提高,同时由于IPM自身的通态损耗与开关损耗都比较低,使得 散热器的尺寸变小,故整个系统的尺寸也减小,而且IPM智能功率模块的性价比还高于IGBT模块,具有 很好的经济I生和发展前景,可将其作为未来变频技术的核心模块来开发研究。 参考文献 f11星光智能功率模块fJ].世界电子元器件,2001(4):34—35 f21高文华.基于IPM的三相无刷直流电机控制系统的设计[J].控制与检测,2009(4):57—60 【31汤正道,鲁昌华.智能功率模块的结构与使用 现代物理知识,2006(3):42—44 【4】邱兴阳.基于IPM与DSP控制无刷直流电机的硬件设计【J].长春大学学报,2013(10):1245—1248
The peripheral circuit design of l PM intelligent power module
QIU Xing-yang (Meizhouwan Vocational Technology College,Fujian Putian 35 1 254,China)
Abstract:With the development of ̄equency conversion technology,in different areas of the various products in the use of ̄equency conversion technology,the frequency conversion technology has good energy saving effect and economical efficiency.IPM is a set of drive circuit,under voltage,sh0rt circuit,overheat protection circuit,such as simple structure,low loss,light weight,small size,the advantages of reliable,can be used as the core module of