隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的。以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）為代表的功率器件，在眾多工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor），絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT（雙極型三極管）和MOS（絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

IGBT 的伏安特性是指以柵源電壓Ugs 為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它與GTR 的輸出特性相似。也可分為飽和區(qū)1 、放大區(qū)2 和擊穿特性3 部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT ，正向電壓由J2 結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+ 緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT 的某些應(yīng)用范圍。IGBT 的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id 與柵源電壓Ugs 之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET 的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開啟電壓Ugs（th） 時(shí)，IGBT 處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT 導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)， Id 與Ugs呈線性關(guān)系。柵源電壓受漏極電流限制，其值一般取為15V左右。

　　1 IPM的基本結(jié)構(gòu)

　　1.1 IPM結(jié)構(gòu)形式

IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模塊，不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)藏有過電壓，過電流和過熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同，IPM分為H型、D型、C型和R型4種。H型內(nèi)部封裝1個(gè)IGBT，D型內(nèi)部封裝2個(gè)IGBT，C型內(nèi)部封裝6個(gè)IGBT，R型內(nèi)部封裝7個(gè)IGBT。

　1.2 IPM的內(nèi)部機(jī)制

IPM內(nèi)部設(shè)有柵極驅(qū)動(dòng)控制電路、故障檢測(cè)電路和各種保護(hù)電路，采用帶有電流傳感器的IGBT芯片，用以監(jiān)測(cè)IGBT的主電流。而內(nèi)部故障保護(hù)電路主要用以檢測(cè)過流、過熱和欠壓等故障。

　　2 IPM保護(hù)功能

IPM內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路使系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、可靠，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，也提高了系統(tǒng)在故障情況下的自我保護(hù)能力。與普通的IGBT模塊相比，由于增加了保護(hù)電路，因而IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有很大的提高。

IPM的保護(hù)功能包括控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過流保護(hù)和短路保護(hù)。如果IPM模塊中的一種保護(hù)電路產(chǎn)生動(dòng)作，其內(nèi)部的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷門極電流并輸出一個(gè)故障信號(hào)（Fo）。

（1）控制電壓欠壓保護(hù)（UV）：IPM使用單一的15 V供電，若供電電壓低于12.5 V，且時(shí)間超過toff=10 ms，發(fā)生欠壓保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)Fo。

（2）過熱保護(hù)（0T）：在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)IPM溫度傳感器測(cè)出其基板的溫度超過溫度值時(shí)，發(fā)生過熱保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)Fo。

（3）過流保護(hù)（0C）：若流過IGBT的電流值超過過流動(dòng)作電流，且時(shí)間超過toff，則發(fā)生過流保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)Fo。為避免發(fā)生過大的電流變化率di／dt，大多數(shù)的IPM采用兩級(jí)關(guān)斷模式。

（4）短路保護(hù)（SC）：若負(fù)載發(fā)生短路或控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致短路，流過IGBT的電流值超過短路動(dòng)作電流，則立刻發(fā)生短路保護(hù)，封鎖門極驅(qū)動(dòng)電路，輸出故障信號(hào)。為縮短過流保護(hù)的電流檢測(cè)和故障動(dòng)作問的響應(yīng)時(shí)間，IPM內(nèi)部使用實(shí)時(shí)電流控制電路（RTC），使響應(yīng)時(shí)間小于100 ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護(hù)效果。

當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一種故障時(shí)，IPM將立即輸出故障信號(hào)Fo，該故障信號(hào)持續(xù)時(shí)間tFo為1.8 ms（SC持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)一些），此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，關(guān)斷IPM。當(dāng)故障輸出信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，IPM內(nèi)部會(huì)自動(dòng)復(fù)位，門極驅(qū)動(dòng)通道重新開放。

IPM器件自身產(chǎn)生的故障信號(hào)是非保持性的，如果在tFo結(jié)束后故障源仍然沒有被排除，則IPM就會(huì)重復(fù)自動(dòng)保護(hù)的過程，反復(fù)動(dòng)作。過流、短路、過熱保護(hù)動(dòng)作都是非常惡劣的運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免其反復(fù)動(dòng)作，因此僅靠IPM內(nèi)部保護(hù)電路還不能完全實(shí)現(xiàn)器件的自我保護(hù)。

　　3 IPM在電力機(jī)車模塊化分布式大功率開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中的應(yīng)用

電力機(jī)車中的110 V穩(wěn)壓電源是為機(jī)車上的各種控制器件以及儀表照明和信號(hào)顯示屏等相關(guān)設(shè)備提供動(dòng)力，因而對(duì)整個(gè)電力機(jī)車來講至關(guān)重要。電力機(jī)車110 V穩(wěn)壓電源的輸出功率大，對(duì)穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。為了滿足系統(tǒng)要求，采用了分布式結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)逆變模塊，通過負(fù)荷分擔(dān)的方式來組成大功率系統(tǒng)。同時(shí)，采用IPM智能功率模塊作為逆變器主元件，利用DSP控制單元來產(chǎn)生逆變器的控制信號(hào)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和可控制性。

IPM在應(yīng)用時(shí)首先應(yīng)注意型號(hào)的選擇，不同型號(hào)的IPM其耐壓損壞值不同，為了避免電壓過高（比如浪涌電壓）造成的IPM損壞，在選擇時(shí)必須合理地預(yù)留一部分裕量。IPM在工作狀態(tài)時(shí)，流經(jīng)的電流通常都比較大，因而散熱比較重要，為了避免溫度升高損壞IPM，使用時(shí)要選用較好的散熱器，并且IPM與散熱器之問應(yīng)涂抹一層均勻的硅脂。為了避免IPM驅(qū)動(dòng)電路中地線噪聲的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意將驅(qū)動(dòng)電壓相互隔離。

M75CSAl20與主控制電路板采用光電耦合器件進(jìn)行隔離，在光電耦合器件的選型上，根據(jù)PM75CSAl20驅(qū)動(dòng)的要求，對(duì)橋臂的驅(qū)動(dòng)選用HCPL4504高速光電耦合器件，而在故障反饋回路，選用低速光電耦合器件PC817，這兩種光電耦合器件都具有很好的共模抑制特性，適合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境。

IPM逆變器控制信號(hào)由DSP控制單元產(chǎn)生，DSP選用了TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理芯片。功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入由TMS320F2812內(nèi)含的全比較單元相對(duì)應(yīng)的PWM0～PWM3產(chǎn)生。

TMS320F2812的事件管理器模塊包含了兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳，當(dāng)IPM過壓、過流、短路及溫度的急劇上升時(shí)，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài)。

在實(shí)際的電源調(diào)試過程中，盡管輸出的電流達(dá)到了20 A，但I(xiàn)PM工作仍然十分穩(wěn)定，通過人為設(shè)置故障，IPM保護(hù)電路反應(yīng)迅速，同時(shí)有效輸出故障信號(hào)，從保護(hù)了功率器件，提高了電源的穩(wěn)定性。

　　4 結(jié)語

IPM作為一種智能功率器件，以其損耗小，開關(guān)速度快，耐壓等級(jí)高，體積小，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在電力電子技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)被越來越廣泛地應(yīng)用。IPM在大功率逆變電源的應(yīng)用中，減小了電源的體積和重量，提高了轉(zhuǎn)換效率，保證了電源的穩(wěn)定可靠性能。