中心議題：

• 探討單電源IPM模塊在交流變頻調速控製器中的應用

解決方案：

• 采用自舉電源技術
• 采用電平移位電路
• 采用自舉電源來驅動上橋臂的igbt

1 引言　　

隨著電力電子技術、jisuanjijishuhechaodaguimojichengdianlujishudekuaisufazhan，bianpintiaosuxitongquxiangshuzihuahegaojichengdufangxiangfazhan。chuantongdefenliyuanqijianzhujianbeigaokekaoxingdejichengyuanqijiansuodaiti：一(yi)方(fang)麵(mian)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)設(she)計(ji)電(dian)路(lu)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)量(liang)，提(ti)高(gao)設(she)計(ji)效(xiao)率(lv)和(he)縮(suo)短(duan)開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)，可(ke)以(yi)大(da)大(da)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。因(yin)此(ci)，集(ji)成(cheng)元(yuan)器(qi)件(jian)的(de)應(ying)用(yong)越(yue)來(lai)越(yue)廣(guang)泛(fan)。在變頻調速係統如工業洗衣機
，變頻家電等控製係統中
，功率驅動器件是必不可少的，智能功率模塊（ipm）就是一個典型的高度集成的功率驅動器件
，由於其體積小、集成功能多、成本低
、可靠性高和使用方便等諸多優點
，在中、小功率交流變頻調速器中已大量使用。本文對單電源ipm模塊在變頻調速控製器中的應用進行詳細的闡述
，並結合具體的應用係統給出其典型應用。

2 單電源ipm模塊結構和工作原理　　

2.1 ipm模塊的一般特點　　

ipm模塊作為功率集成電路產品， 它使用表麵貼裝技術將三相橋臂的六個igbt及其驅動電路、保護電路集成在一個模塊內，除了具有驅動功能外， 還具有很多保護功能，與傳統分立igbt或模塊相比，其具有體積小、功能多、可靠性高
、價格便宜等優點。ipm模塊一般具有以下特點：　　

（1） 內含驅動電路;　　

（2） 內含過電流保護（oc）
、短路保護（sc）;　　

（3） 內含驅動電源欠壓保護（uv）;　　

（4） 內含過熱保護（oh），過熱保護是防止igbt、續流二極管（frd）過熱的保護功能;　　

（5）內含報警輸出（alm）

，alm是向外部輸出故障報警的一種功能
，當oh及下橋臂oc
、uv保護動作時
，通過向控製ipm的微機輸出異常信號，能即時停止係統。對於具體不同型號的ipm
，其內部所集成的功能可能有所差異。　　

2.2 單電源ipm模塊的結構和工作原理

ipm模塊正常工作時，需要提供驅動電源。現在普遍使用的ipm模塊一般需要提供四路獨立的電源
，目的是防止其內部上

、下(xia)橋(qiao)臂(bi)發(fa)生(sheng)直(zhi)通(tong)短(duan)路(lu)現(xian)象(xiang)，但(dan)隨(sui)著(zhe)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)集(ji)成(cheng)技(ji)術(shu)發(fa)展(zhan)，一(yi)些(xie)生(sheng)產(chan)廠(chang)家(jia)，如(ru)日(ri)本(ben)三(san)菱(ling)，日(ri)本(ben)東(dong)芝(zhi)，美(mei)國(guo)仙(xian)童(tong)等(deng)，采(cai)用(yong)自(zi)舉(ju)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)，推(tui)出(chu)單(dan)電(dian)源(yuan)ipm模塊

，使得隻需給ipm提供一路驅動電源
，這為實現變頻調速係統共地提供了可能。單電源dip-ipmps21255-e的內部電路如圖1所示。

在圖1中，hvic1～hvic3驅動三相橋臂的上管，lvic驅動三相橋臂的下管。其中

，hvic1～hvic3中集成了輸入pwm信號整形電路
、電平移位電路、欠壓保護電路
、igbt驅動電路
，其結構示意圖如圖2所示。


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  第四代ipm模塊的最大的特點就是實現了單電源驅動，其核心技術就是驅動電源采用自舉電源技術和電平移位電路，其原理示意圖如圖3所示。工作原理分析如下：當輸入脈衝信號為“1”時，經過脈衝鑒別器確認，且此時無欠壓發生
， 閂鎖邏輯電路上端輸出為“1”， 下端輸出為“0”
， 此時，t1管導通，t2管關斷，igbt1的門極驅動電壓為+15v，igbt1導通

， igbt2關斷; 反之， 當輸入脈衝信號為“0”時， igbt1關斷
，igbt2導通。自舉電源由圖3中的電阻r1、自舉二極管d1和自舉電容c1組成， 當下橋臂igbt2導通時，自舉電容c1通過r1和d1充電，這裏必須保證c1首次充電時， igbt2導通一定的時間，使得c1充電充分，這樣c1兩端的電壓保持為+15v

，足夠驅動上橋臂的igbt1， 通過這種自舉電源技術，允許igbt1的源端在p、n之間浮動。由於采用自舉電源來驅動上橋臂的igbt，所以這裏要求滿足一個條件，即在開始工作之前，必須使下橋臂開通足夠長的時間（≥200μs），以便讓自舉電容充分充電。

3 ipm模塊參數的確定　　

在係統硬件設計時，為了保證ipm長期安全可靠地工作
，選擇和使用ipm模塊時
，應當根據係統實際情況對ipm模塊以下幾個參數進行正確選擇：　　

（1）ipm模塊igbt的最大耐壓值vces
，該值一般按略大於直流電壓的兩倍選擇
，如直流側電壓為300v，則選擇ipm模塊的igbt耐壓值在600v左右;　　

（2）ipm模塊igbt的額定電流值ic及集電極峰值icp，icp的選擇應根據電動機的峰值電流而定，而電動機的峰值電流應由電動機的額定功率
、電動機效率、電動機的線電壓、功率因數等因素有關;　　

（3） igbt的開關頻率fpwm

，這主要根據係統設計需求而定，盡可能選擇留有一定餘量的igbt;　　

（4）在應用時必須注意ipm的最小死區時間tdead
，軟件設計中死區時間不能小於最小死區時間tdead;除了上述主要參數以外，還有其他一些參數也需要考慮
，如igbt的最大結溫tj等，為了igbt的長時間正常工作

，必須使ipm有良好的散熱條件
， 如通過散熱器和強冷風扇散熱等。ipm模塊參數的選擇，主要依賴於具體的應用係統， 隻有正確選擇ipm模塊和相關的元器件，才能設計出可靠的係統。

4 單電源ipm模塊的應用　　

單電源ipm模(mo)塊(kuai)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)，尤(you)其(qi)在(zai)中(zhong)小(xiao)功(gong)率(lv)變(bian)頻(pin)係(xi)統(tong)中(zhong)，如(ru)工(gong)業(ye)洗(xi)衣(yi)機(ji)控(kong)製(zhi)用(yong)變(bian)頻(pin)器(qi)
，紡(fang)織(zhi)機(ji)控(kong)製(zhi)用(yong)儲(chu)緯(wei)器(qi)，注(zhu)塑(su)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)中(zhong)等(deng)，家(jia)電(dian)行(xing)業(ye)應(ying)用(yong)也(ye)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)，如(ru)變(bian)頻(pin)空(kong)調(tiao)、洗衣機、冰箱等。下麵以ipm模塊在小功率變頻器中的實際使用情況
，具體說明單電源ipm在係統中的應用。單電源ipm模塊在係統中應用示意圖如圖4所示。

由於係統中使用了單電源ipm模塊
，即隻需要給ipm模塊提供一路電源
，整個係統可以共一個參考地，這樣可以減少用於電氣隔離用的光耦
，包括6路pwm驅動信號
，故障檢測信號。另外
，電壓、電流檢測也可以方便地通過檢測直流側電壓和n線電流，而不需要電壓互感器和電流互感器
，從而大大降低係統的硬件成本。　　

在使用中當出現ipm保護信號時， 應當封鎖六路pwm脈衝信號， 停止係統的運行， 因為有些故障可能是重複出現的，如短路故障;為了防止不必要的幹擾信號， ipm的外圍電路的某些布線應盡可能短， 如直流母線間的平滑濾波電容及吸收電容之間的布線，ipm內部過流檢測的外部電路元件之間的布線等;當輸入pwm信號斷路時應能及時關閉igbt，為此將六路pwm輸入信號通過接電阻和+5v電源上拉，同時為了防止輸入pwm信號的波動
，應當在pwm輸入信號線上接濾波電容; ipm故障輸出端口fo在正常時應保持為高電平， 通過電阻接+5v電源上拉。除了上述主要方麵外，為了更好地保護ipm模塊及整個係統的安全， 還應當設計必要輔助保護電路

， 如過壓
、欠壓檢測電路，過流/過載檢測等電路等
，根據檢測的結果， 軟件應能夠及時封鎖六路pwm脈衝， 以達到保護整個係統的目的。

5 結束語　　

在中小功率變頻調速控製器中，ipm模塊是較為理想的功率器件，尤其是單電源ipm模塊。單電源ipm模塊的使用
，可以大大縮短產品開發周期，降低產品成本
，進一步提高產品的可靠性和市場競爭力。

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