一般理論：每根發熱電纜需(xu)配備一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)獨立的溫(wen)(wen)(wen)控(kong)器控(kong)制(zhi)，當單位面積很大(da)，一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)房間(jian)內(nei)需(xu)要用(yong)到好幾根發(fa)熱電纜時(shi)，溫(wen)(wen)(wen)控(kong)器的數量也增(zeng)加了。隨之(zhi)成本增(zeng)加。一(yi)(yi)般的解決方法(fa)是(shi)配備一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)溫(wen)(wen)(wen)控(kong)箱，而這些配置。是(shi)一(yi)(yi)般家(jia)庭都不會去考慮的。這個(ge)(ge)(ge)時(shi)候就需(xu)要用(yong)到功率擴展模塊(kuai)，可實現多根發(fa)熱電纜一(yi)(yi)個(ge)(ge)(ge)溫(wen)(wen)(wen)控(kong)器控(kong)制(zhi)。那么小小的模塊(kuai)到底是(shi)怎么實現的呢？原理是(shi)什么呢？下(xia)面為大(da)家(jia)介紹下(xia)：

    智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫,是一(yi)種先進的功率(lv)開關器件,具有GTR(大功率(lv)晶(jing)體(ti)管)高電(dian)(dian)流密(mi)度、低飽和電(dian)(dian)壓(ya)和耐高壓(ya)的優點,以及MOSFET(場效應晶體(ti)管)高輸入阻(zu)抗、高開關(guan)頻率和低驅(qu)動功率的優點(dian).而且IPM內(nei)部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路,使用起來方便,不僅減小了系統(tong)的體積以及(ji)開發(fa)時間,也大大增強了系(xi)統的可靠(kao)性,適應了當今功率器件的發展方(fang)向——模塊化(hua)、復合化(hua)和功率集成(cheng)電路(PIC),在電力電子領域得到了越(yue)來越(yue)廣泛的(de)應用.本文以三菱(ling)公司PM100DSA120為(wei)例,介紹IPM的基本特性,然后著重介紹(shao)IPM的驅動(dong)和保護電路(lu)的設計.
　　1 IPM的(de)基本工作(zuo)特性(xing)
　　1．1 IPM的結(jie)構
　　IPM由高(gao)速、低功率的(de)IGBT芯片和優選的門級驅動(dong)及(ji)保護電路(lu)構成(cheng),如圖(tu)1所(suo)示.其中,IGBT是GTR和(he)MOSFET的復合,由MOSFET驅動GTR,因而(er)IGBT具(ju)有(you)兩(liang)者的優點.
　　IPM根據(ju)內部功率(lv)電路配置的不同可(ke)分為四(si)類:H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(xing)(內部封裝(zhuang)六個IGBT)和R型(xing)(內(nei)部(bu)封裝七個IGBT).小(xiao)功率的(de)IPM使用多層環氧(yang)絕(jue)緣系統,中大功(gong)率的(de)IPM使(shi)用陶瓷絕緣.
　　1．2 IPM內部功(gong)能機制(zhi)
　　IPM內置的驅動和保(bao)護電(dian)路(lu)使系統硬件電(dian)路(lu)簡單、可(ke)靠,縮短了系統開發時間,也提高了(le)故障下的自(zi)保護(hu)能(neng)力.與普通(tong)的IGBT模塊相比,IPM在系(xi)統性能及可(ke)靠性方面都(dou)有進一步的提高.
　　保(bao)護電路(lu)可以(yi)實現控制電壓欠壓保(bao)護、過熱保(bao)護、過流保(bao)護和短(duan)路(lu)保(bao)護.如果IPM模塊中有一(yi)種(zhong)保護(hu)電路動(dong)作(zuo),IGBT柵極(ji)驅動單(dan)元就會關(guan)斷門極(ji)電流并(bing)輸(shu)出一個故障信號(hao)(FO).各種保(bao)護功能具體(ti)如下:
　　(1)控制電壓欠壓保護(UV):IPM使用單(dan)一(yi)的+15V供電,若供電電壓低于(yu)12．5V,且時間(jian)超(chao)過toff＝10ms,發生欠壓(ya)保(bao)護,封(feng)鎖門極驅動電路(lu),輸(shu)出(chu)故(gu)障信(xin)號.
　　(2)過溫保(bao)護(OT):在靠近(jin)IGBT芯片的絕緣基板上安(an)裝了一個溫度傳(chuan)感器,當IPM溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器測出(chu)其基板的溫(wen)度(du)超過溫(wen)度(du)值時,發(fa)生過溫保護,封鎖門極驅(qu)動電(dian)路,輸出(chu)故障信(xin)號.
　　(3)過(guo)流(liu)保護(OC):若流過IGBT的電(dian)流(liu)(liu)值(zhi)超過過流(liu)(liu)動(dong)作(zuo)電(dian)流(liu)(liu),且時間(jian)超過(guo)toff,則發(fa)生過流保護(hu),封鎖(suo)門(men)極(ji)驅動電路(lu),輸出(chu)故(gu)障信號.為避免發生過(guo)大的(de)di/dt,大多數IPM采用兩級關斷模式(shi).
　　3.其中,VG為內(nei)部門極驅動(dong)電壓,ISC為短(duan)路電流值,IOC為過流電流值,IC為(wei)集電(dian)(dian)極電(dian)(dian)流,IFO為故障輸出電流.
　　(4)短路保護(SC):若(ruo)負載發生(sheng)短路或控制系統故障導(dao)致短路,流過IGBT的電流值超過短路動作電流,則(ze)立刻發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)保護,封鎖(suo)門極驅(qu)動電(dian)路(lu),輸(shu)出(chu)故(gu)障信號.跟過流(liu)保護一樣,為避免(mian)發生過(guo)大的(de)di/dt,大多數IPM采(cai)用兩(liang)級關(guan)斷(duan)模式(shi).為縮(suo)短過流(liu)保護的電流(liu)檢測和故障(zhang)動(dong)作間的響應時(shi)間,IPM內部使用(yong)實時電流(liu)控制電路(lu)(RTC),使(shi)響應時間小于100ns,從而有效抑制了電流(liu)和功(gong)率峰值,提高了保護效果.
　　當(dang)IPM發生UV、OC、OT、SC中任一故障時,其故障(zhang)輸出信號持續時間tFO為1．8ms(SC持續時間(jian)會長(chang)一些),此時間內IPM會封鎖門極驅動,關(guan)斷IPM;故障(zhang)輸出信號(hao)持(chi)續時間結束后,IPM內部自動復位,門極驅動通道(dao)開放.
　　可(ke)以看出,器件自身產生的故(gu)障信號是非保持性的,如果(guo)tFO結束后故障源仍舊沒有(you)排除,IPM就會重復自動保護的(de)過(guo)程,反復動作.過流(liu)、短路、過熱保(bao)護動作都是非常惡劣的(de)運(yun)行狀況,應避免(mian)其反復(fu)動作,因此僅靠IPM內部保護電路(lu)還不能完全實現器(qi)件的自我保護.要使系統真(zhen)正安全、可靠運行(xing),需(xu)要輔助的外圍保護電(dian)路. 2 IPM驅動電路(lu)的設計
　　驅動電路是(shi)IPM主電路和(he)控制電路之間的接口,良好的(de)驅動電(dian)路設計(ji)對裝置(zhi)的(de)運行效率(lv)、可(ke)靠性(xing)和安全(quan)性(xing)都有重要(yao)意義.
　　2．1 IGBT的分立驅動電(dian)路的設計
　　IGBT的(de)驅動設計(ji)問題亦即MOSFET的驅動設計問題,設計(ji)時應注意以(yi)下幾點:①IGBT柵極耐(nai)壓一(yi)般在±20V左右,因此(ci)驅動(dong)電路輸出端要給(gei)柵極加電壓保護,通常的做法是在柵極并聯穩壓二極管或者(zhe)電阻.前者的缺陷是將增(zeng)加等效輸入電(dian)容Cin,從而影響(xiang)開關(guan)速度(du),后(hou)者的缺陷是將(jiang)減(jian)小輸(shu)入阻抗,增大驅(qu)動電流,使用(yong)時(shi)應根據需要取舍.②盡(jin)管IGBT所需(xu)驅動功率很(hen)小,但(dan)由于MOSFET存(cun)在輸入(ru)電容Cin,開關過程中需要對電(dian)容(rong)充(chong)放電(dian),因此驅動(dong)電路的(de)輸出(chu)電流應(ying)足夠大,這一點設計者往往忽略.假(jia)定(ding)開通驅動時,在上升時間tr內線性地對MOSFET輸入電容Cin充電,則驅動電流為Igt＝CinUgs/tr,其中可取tr＝2.2RCin,R為輸(shu)入回路電阻.③為(wei)可(ke)靠(kao)關閉IGBT, 防(fang)止擎(qing)住現象, 要給(gei)柵(zha)極加(jia)一(yi)負偏壓,因此最好采用雙電源供電.
　　2．2 IGBT集成式(shi)驅動電路
　　IGBT的分立式(shi)驅動(dong)電路中(zhong)分立元件多,結構復雜,保護功能比較完善的分立(li)電路就(jiu)更加復雜(za),可靠性(xing)和性(xing)能都比較(jiao)差(cha),因此實際應用中大(da)多數采用集成式驅動電(dian)路.日本(ben)富士公司的EXB系列(lie)集成電路、法國湯姆森公(gong)司的UA4002集成電路等應用都很廣泛.
　　2．3 IPM驅動(dong)電路設(she)計(ji)
　　現以(yi)PM100DSA120為例進行(xing)介(jie)紹(shao).PM100DSA120是一種(zhong)D型的IPM,內部封裝了(le)兩(liang)個IGBT,工作(zuo)在1200V/100A以下(xia),功(gong)率器件的開關頻率最大為(wei)20kHz.由于IPM內置(zhi)了驅動(dong)電路,與IGBT驅動電路設計相(xiang)比,外(wai)圍(wei)驅動(dong)電路(lu)的設(she)計比較方便,只要能提供(gong)15V直流電壓即可.
　　但(dan)是IPM對驅動電(dian)路輸出電(dian)壓的要求很嚴格?熏(xun)具體(ti)為(wei):①驅動電(dian)壓范圍為15V±10%?熏電(dian)壓低于(yu)13．5V將發生(sheng)欠壓(ya)保護,電壓(ya)高于16．5V將可能損壞內部部件(jian).②驅動電壓相互隔離,以(yi)避免地線噪聲干擾.③驅動電源絕緣電壓(ya)至(zhi)少是IPM極間反(fan)向耐壓值的(de)兩倍(2Vces).④驅動(dong)電流可(ke)以參閱器(qi)件給出(chu)的20kHz驅動(dong)電流要(yao)求,根據實際的開(kai)關頻(pin)率加(jia)以修(xiu)正.⑤驅動電(dian)路輸出端(duan)濾波電(dian)容不能太大,這是因為當寄生電容(rong)超過100pF時,噪(zao)聲干擾將可能誤觸發內部(bu)驅動電路.