１　引言

　　電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關元件主要是晶閘管和ＧＴＯ,。但是，隨著近年來雙極功率晶體管及功率的問世以及生產技術的成熟,，這些開關元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和ＧＴＯ,，并朝著節(jié)能、輕便,、小型化的方向迅速發(fā)展,。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ？Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）智能模塊正是其中的代表之一,，它將ＩＧＢＴ單元,、驅動電路、保護電路等結合在一個模塊之中,，利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實際應用系統(tǒng)的穩(wěn)定性,？同時可簡化設計的難度？縮小裝置的體積,。

　?。病。桑牵拢灾悄苣K的主要特點

　　與過去ＩＧＢＴ模塊和驅動電路的組合電路相比,，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ內含驅動電路且保護功能齊全，因而可極大地提高應用系統(tǒng)整機的可靠性,。本文將要介紹的是富士電機最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特點和使用情況,。它除了具有體積小、可靠性高,、價格低廉等優(yōu)點以外,，還具有以下主要功能：

　　●內含驅動電路。該模塊同時具有軟開關特性,，可控制ＩＧＢＴ開關時的ｄＶ／ｄｔ和浪涌電壓,；用單電源驅動時，無需反向偏壓電源,；并可防止誤導通,。關斷時，ＩＧＢＴ柵極低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而誤導通,；模塊中的每個ＩＧＢＴ的驅動電路都設計了最佳的驅動條件,。

　　●內含各種保護電路。每個ＩＧＢＴ都具有過流保護（ＯＣ）,、負載短路保護（ＳＣ）,、控制電源欠壓保護（ＵＶ）和過熱保護（ＯＨ）等功能。

　　●內含報警輸出功能,。當出現(xiàn)上述保護動作時,，可向控制ＩＰＭ的微機系統(tǒng)輸出報警信號,。

　　●包含有制動電路。內含制動單元的ＩＰＭ模塊,，用此單元可以抑制ＰＮ端子間的電壓升高,。

　　圖１為該ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的內部結構圖，圖中的前置驅動部分包括驅動放大,、短路保護,、過流保護、欠壓閉鎖,、管心過熱保護等功能電路,。圖中，各個引腳和端子的標號列于表１,。

　　表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標號

　　１　引言

　　電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關元件主要是晶閘管和ＧＴＯ。但是，隨著近年來雙極功率晶體管及功率的問世以及生產技術的成熟,，這些開關元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和ＧＴＯ,，并朝著節(jié)能、輕便,、小型化的方向迅速發(fā)展,。ＩＧＢＴ－ＩＰＭ？Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）智能模塊正是其中的代表之一,，它將ＩＧＢＴ單元,、驅動電路、保護電路等結合在一個模塊之中,，利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實際應用系統(tǒng)的穩(wěn)定性,？同時可簡化設計的難度？縮小裝置的體積,。

　?。病。桑牵拢灾悄苣K的主要特點

　　與過去ＩＧＢＴ模塊和驅動電路的組合電路相比,，ＩＧＢＴ－ＩＰＭ內含驅動電路且保護功能齊全,，因而可極大地提高應用系統(tǒng)整機的可靠性。本文將要介紹的是富士電機最新推出的Ｒ系列ＩＰＭ智能功率模塊７ＭＢＰ１００ＲＡ－１２０的主要特點和使用情況,。它除了具有體積小,、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點以外,，還具有以下主要功能：

　　●內含驅動電路,。該模塊同時具有軟開關特性，可控制ＩＧＢＴ開關時的ｄＶ／ｄｔ和浪涌電壓,；用單電源驅動時，無需反向偏壓電源,；并可防止誤導通,。關斷時，ＩＧＢＴ柵極低阻抗接地可防止噪音等引起ＶＧＥ上升而誤導通,；模塊中的每個ＩＧＢＴ的驅動電路都設計了最佳的驅動條件,。

　　●內含各種保護電路。每個ＩＧＢＴ都具有過流保護（ＯＣ）,、負載短路保護（ＳＣ）,、控制電源欠壓保護（ＵＶ）和過熱保護（ＯＨ）等功能。

　　●內含報警輸出功能,。當出現(xiàn)上述保護動作時,，可向控制ＩＰＭ的微機系統(tǒng)輸出報警信號。

　　●包含有制動電路。內含制動單元的ＩＰＭ模塊,，用此單元可以抑制ＰＮ端子間的電壓升高,。

　　圖１為該ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的內部結構圖，圖中的前置驅動部分包括驅動放大,、短路保護,、過流保護、欠壓閉鎖,、管心過熱保護等功能電路,。圖中，各個引腳和端子的標號列于表１,。

　　表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標號

　　３　ＩＧＢＴ智能模塊電路設計

　?。桑牵拢灾悄苣K的電路設計主要分為主電源部分,、光耦外圍控制部分,、緩沖電路部分及散熱部分。下面分別對這四部分的設計方法和需要注意的問題進行說明,。

　　３．１ 主電源電路

　　富士的ＩＧＢＴ－ＩＰＭ模塊有很多不同的系列,，每一系列的主電源電壓范圍各有不同，在設計時一定要考慮其應用場合的電壓范圍,。６００Ｖ系列主電源電壓和制動動作電壓都應該在４００Ｖ以下,，１２００Ｖ系列則要在８００Ｖ以下。開關時的最大浪涌電壓：６００Ｖ系列應在５００Ｖ以下,，１２００Ｖ系列應該在１０００Ｖ以下,，根據(jù)上述各值的范圍，使用時應使浪涌電壓限定在規(guī)定的值內,，且應在最靠近Ｐ,、Ｎ端子處安裝緩沖器（如果一個整流電路上接有多個ＩＧＢＴ模塊，還需要在Ｐ,、Ｎ主端子間加浪涌吸收器）,。雖然在模塊內部已對外部的電壓噪聲采取了相應的措施，但是由于噪聲的種類和強度不同,，加之也不可能完全避免誤動作或損壞等情況,，因此需要對交流進線加濾波器，并絕緣接地,，同時應在每相的輸入信號與地（ＧＮＤ）間并聯(lián)１０００ｐＦ的吸收電容,。

　　３．２ 光耦外圍控制部分

　　與主電源電路不同,，外圍控制電路主要針對的是單片機控制系統(tǒng)的弱電控制部分,。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)連接，因此,，必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開來,，以保護單片機控制系統(tǒng)。同時,，ＩＧＢＴ模塊的工作狀況很大程度上取決于正確,、有效、及時的控制信號,。所以,，設計一個優(yōu)良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關鍵之一,。根據(jù)ＩＧＢＴ的驅動以及逆變電路的要求,？１？,，模塊內部的ＩＧＢＴ控制電源必須是上橋臂３組,，下橋臂１組,，總計４組獨立的１５Ｖ直流電源。圖２是一種推薦的光耦驅動電路,。

　　圖２中給出了幾種典型光耦驅動電路,，其中三極管與光耦并聯(lián)型電路對光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規(guī)格要求：

　　●ＣＭＨ＝ＣＭＬ＞１５ｋＶ／μｓ或１０ｋＶ／μｓ

　　●ＴＰＨＬ＝ＴＰＬＨ＜０．８ｍｓ

　　●ＣＴＲ＞１５％

　　推薦的光耦有：

　?。龋茫校蹋矗担埃?，ＨＣＰＬ－４５０６

　　ＴＬＰ７５９（ＩＧＭ）,，ＴＬＰ７５５等,。

　　一般情況下，光耦要符合ＵＬ,、ＶＤＥ等安全認證,。同時最好使光耦和ＩＧＢＴ控制端子間的布線盡量短。由于初級和次級間常加有大的ｄｖ／ｄｔ,，因此,，初、次級布線不要太靠近以減小其間的耦合電容,。在使用１５Ｖ的直流電源組件時,，建議電源輸出側的ＧＮＤ端子不要互聯(lián)，并盡量減少各電源與地間的雜散電容,，同時還應當確保足夠大的絕緣距離（大于２ｍｍ）,。光耦輸入用的１０μＦ及０．１μＦ濾波電容主要是保持控制電壓平穩(wěn)和修正線路阻抗的穩(wěn)定，其它地方的濾波電容也很必要,。另外,，控制信號輸入端與Ｖｃｃ端應接２０ｋΩ的上拉電阻，在不使用制動單元時,，也應該在ＤＢ輸入端與Ｖｃｃ端接２０ｋΩ的上拉電阻,，否則，ｄｖ／ｄｔ過大可能會引起誤動作,。圖３為控制信號的輸入電路,。其它三組上橋臂控制信號輸入電路與圖３相同，但３組１５Ｖ直流電源應分別供電,。而下橋臂的４組,，則共用一個１５Ｖ直流電源。

　　３．３ 緩沖電路

　　緩沖電路（阻容吸收電路）主要用于抑制模塊內部的ＩＧＢＴ單元的過電壓和ｄｖ／ｄｔ或者過電流和ｄｉ／ｄｔ,，同時減?。桑牵拢缘拈_關損耗。由于緩沖電路所需的電阻,、電容的功率,、體積都較大,，所以在ＩＧＢＴ模塊內部并沒有專門集成該部分電路，因此,，在實際的系統(tǒng)之中一定要有緩沖電路,，通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來，電阻可防止電容與電感產生諧振,。如果沒有緩沖電路,，器件在開通時電流會迅速上升，ｄｉ／ｄｔ也很大,，關斷時,，ｄｖ／ｄｔ很大，并會出現(xiàn)很高的過電壓,，極易造成ＩＧＢＴ器件的損壞,。因此，緩沖電路不僅在ＩＧＢＴ模塊中需要,，在ＳＶＧ系統(tǒng)的整流電路中也同樣需要,。圖４給出了一個典型的緩沖電路，有關阻值與電容大小的設計可根據(jù)具體系統(tǒng)來設定不同的參數(shù),。

　?。?ＩＧＢＴ智能模塊在ＳＶＧ裝置的應用

　　靜止無功發(fā)生器ＳＶＧ［３］［４］［５］（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）是靈活交流輸電系統(tǒng)（ＦＡＣＴＳ—Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓ-ｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）技術中的一個重要內容，它的主要功能是在系統(tǒng)中起到動態(tài)無功發(fā)生,、無功補償,、電壓支撐、改善系統(tǒng)穩(wěn)定的作用,。目前,，改善電壓質量的方法是用傳統(tǒng)的ＳＶＣ（Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）靜態(tài)無功補償裝置來減小電壓波動及電壓不對稱，而用機械投切電容器或電抗器消除電壓不平衡,，用濾波器消除諧波,。但是，這些措施的實現(xiàn)及控制都不太靈活,，加之設備價格比較昂貴,、維修困難，因而在實際系統(tǒng)應用中效果并不是很好,。ＦＡＣＴＳ技術中的ＳＶＧ裝置以其靈活的動態(tài)調節(jié)性能克服了這些不足,。ＳＶＧ裝置的核心部分是逆變電路，它將整流后的直流電壓進行逆變以產生與系統(tǒng)相應的交流電壓,，從而產生所需的交流無功功率,。利用ＩＧＢＴ智能模塊后，逆變電路無論是在體積,、性能,、穩(wěn)定性還是控制方式上都得到了極大地簡化。

　　該系統(tǒng)共分為３個主要部分：第一部分是由ＩＧ-ＢＴ模塊構成的逆變電路,，第二部分是由電力二極管構成的全波整流電路,，第三部分是由微機構成的檢測控制系統(tǒng)。整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊６ＲＩ１００Ｇ－１６０,，該模塊的主要作用是將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵?，從而維持直流電容兩端的電壓穩(wěn)定，同時也為逆變電路提供一個直流電壓,。

　　微機控制系統(tǒng)是由以ＡＤＭＣ４０１高速數(shù)字信號處理芯片為核心的ＤＳＰ控制系統(tǒng)組成,，它具有極高的處理速度和專門的６路ＰＷＭ波發(fā)生控制引腳，從圖５可以看出,，ＤＳＰ控制系統(tǒng)除了完成向ＩＧＢＴ發(fā)出控制信號以外,，還可完成三相電流和電壓的檢測、人機交換等功能,。電流檢測可利用ＫＴ１００－Ｐ型電流傳感器來完成,，電壓檢測則利用ＣＨＶ－５０Ｐ電壓傳感器來完成。鍵盤管理部分選用８２Ｃ７９接口芯片來管理１６鍵的鍵盤輸入,。輸出顯示部分則選用以ＳＥＤ１５２０為驅動芯片的ＭＧＬＳ－１２０３２Ａ液晶顯示模塊（ＬＣＤ）［３］,。該模塊的顯示屏幕一次最多可顯示１４個１６×１６ 的點陣漢字，圖中只畫出了相應的方框圖,。上述功能均可通過對ＡＤＭＣ４０１數(shù)字信號處理芯片的軟件編程來實現(xiàn),。其程序流程圖見圖６所示。

　　值得注意的是：本ＳＶＧ裝置中采用的是單橋路控制電路,，所以只用到了一個ＩＧＢＴ智能模塊,，它一共有６個控制點。如果采用多重化結構并使用多個ＩＧＢＴ模塊相串聯(lián)或并聯(lián)工作,，那么將會得到更多的控制點,，當然，輸出的波形,、容量,、電壓都將會更好。實際上,，在ＳＶＧ系統(tǒng)中,，除了ＩＧＢＴ逆變模塊以外，還有很多其它的重要組件,，因此,，要想讓ＳＶＧ系統(tǒng)中的ＩＧＢＴ智能模塊正常、高效,、安全地工作,，還需要裝置其余各部件都協(xié)調運作,，才能夠達到預期的控制效果。

　?。怠〗Y論

　?。桑牵拢裕桑校湍K的應用范圍相當廣泛，從電機的調速,、驅動裝置到不停電電源裝置,、ＳＶＧ裝置等，可以說凡是涉及到大功率開關器件,、電力變換等場合,，只要容量允許，都可以應用它,。因此,，了解和熟悉ＩＧＢＴ－ＩＰＭ智能模塊的接口電路，有利于加快裝置的開發(fā)研制進程,，提高實際應用裝置的性能,，這也就是本文介紹相關實用電路和注意事項的主旨?？傊?，用戶應該根據(jù)自己的實際需要來仔細、靈活的設計系統(tǒng),。