Ipm модуль что это

43. Интеллектуальные силовые модули

Современный интеллектуальный силовой модуль IPM содержит скоростные IGBT, соединенные определенной конфигурацией, схему управления ими, оптимизированную по характеристикам управления затвором этих транзисторов, схему защиты от перегрузок и схему индикации состояния модуля. Схема защиты анализирует режим перегрузки по току, режим короткого замыкания нагрузки (SC), режим пробоя, падение напряжения управления (UVTO) и перегрев модуля. Конфигурации соединений IGBT в силовом блоке могут быть: по полумостовой схеме, трехфазная мостовая схема, трехфазная транзисторная мостовая схема с тормозным транзистором и трехфазный выпрямитель, трехфазная транзисторная мостовая схема и трехфазный выпрямитель, а также одиночный IGBT-модуль. В IPM встроен драйвер, оптимизированный по сигналам управления, и устройство защиты: от короткого замыкания; от максимального тока; от потери напряжения питания; тепловая защита. Модуль представляет собой многослойную конструкцию, рис. 3.1. Силовые силиконовые кристаллы IGBT размещаются на керамической подложке (DCB – Al₂O₃ -керамика), являющейся электроизолирующим и теплопроводящим слоем. Нижняя сторона этого слоя покрыта методом напыления сплошной медной фольгой, верхняя сторона представляет собой печатную плату, на которой выполняются соединения силовых ключей, элементов управления и управляющих выводов. Минимальные линии связей дают малые значения распределенных индуктивностей, что уменьшает уровень переходных напряжений. Надежность работы модуля оценивают областью безопасной работы (ОБР или SOA). Для IPM задаются два вида ОБР: ОБР для короткого замыкания (SCSOA) и ОБР для импульсного режима (SSOA). SSOA задает ограничения на ток и напряжение, одновременно действующие при отключении модуля. Безопасным для IPM считается режим, когда напряжение питания не превышает определенного для него напряжения источника питания U_cc, а перенапряжение при выключении не превышает предельного значения напряжения коллектор-эмиттер U_ces. Термин «однократное короткое к. з» подразумевает, что число к. з ограничено и время между к. з значительно больше времени тепловой постоянной кристалла.

Структурная схема одиночного IPM рис. 3.2. При отклонении от нормы перечисленных параметров схема защиты выключает силовой транзистор и выдает сигнал неисправности. В полумостовых и мостовых конфигурациях IPM отключаются транзисторы нижнего уровня. Повторное включение модуля, произошедшее после его отключения по причине превышения температуры, произойдет после охлаждения модуля до порога включения. Однако кристалл модуля может перегреться до того, как разогреется основание модуля и термодатчик, и защита не обеспечит отключение. В IPM используют IGBT со встроенным датчиком тока. Датчик тока различает два пороговых значения тока: ток перегрузки, начиная с которого напряжение на затворе снижается, что приводит к уменьшению тока коллектора, и формируется индикация неисправности, и ток к. з., по которому происходит отключение. Если состояние перегрузки сохраняется 5…10 мкс, напряжение на затворе снижается до нуля. В современных IPM используется непрерывный мониторинг тока каждого силового ключа и общего тока потребления. Режим к. з наступает при замыкании нагрузки или сбое работы контроллера, когда сигналы включения поступают сразу на IGBT в обоих плечах мостовой схемы, вызывая сквозной ток. Если непосредственно измеряемый ток коллектора достигает порогового значения ISC, процесс выключения модуля начинается мгновенно, но снижение напряжения на затворе происходит по определенному закону для снижения переходных напряжений. Для уменьшения времени между моментом обнаружения к. з и моментом выключения используется схема контроля тока в реальном времени (RTC). Это устройство работает параллельно драйверу и уменьшает время обработки сигнала до 100 нс, что уменьшает ток к. з и уровень перенапряжений почти в два раза. IPM может содержать встроенное ограничение (супрессор) от импульсных перенапряжений. Для устранения проблем, связанных с шумами и помехами, создаваемыми мощными силовыми модулями, целесообразно применять для каждого силового ключа отдельный источник питания. Параллельно выводам питания схемы управления присоединяется электролитический или танталовый конденсатор для фильтрации синфазных помех и обеспечения высоких пиковых токов заряда затвора. В качестве примера на рис. 3.3 приведена структурная схема модуля IPM трехфазного инвертора, работающего в режиме ШИМ формирования выходного напряжения (выводы U—V—W). Содержание блоков «Защита 1» и «Защита 2» приведено на рис. 3.4, а и б. При работе инвертора совместно с асинхронным двигателем для ограничения напряжения в звене постоянного тока U_d в генераторных режимах предусматривается цепь гашения рекуперируемой двигателем энергии. Она представляет собою внешний резистор R, присоединяемый к точкам 1 и 2 модуля, и транзистор VT3.

Обязательным для модуля инвертора является наличие цепей защиты (снабберов) IGBT от коммутационных перенапряжений. Для трехфазных мостовых схем достаточна установка одной емкости С в снаббере (рис. 3.3). Для полумостовой схемы применяется RCD-снаббер, присоединенный к каждой полумостовой схеме, рис. 3.4, в. Для одиночных модулей, рис.3.2, применяется RCD-снаббер, присоединенный к каждому силовому ключу, рис. 3.4, г.

Питание обмоток фаз двигателя в вентильно-индукторных электроприводах ВИП с самоподмагничиванием осуществляется однополярными импульсами тока. Для этого на выходе преобразователя применяется коммутатор. Коммутатор обеспечивает подачу напряжения звена постоянного тока U_d поочередно на обмотки двигателя по информации датчика о положении ротора. При необходимости коммутатор может ограничивать ток в обмотках двигателя, работающего в режиме широтно-импульсного регулирования, поэтому он состоит из ряда одинаковых преобразователей постоянного тока, число которых равно числу фаз двигателя. На рис. 3.5 приведена структурная схема модуля коммутатора, представляющая симметричный однофазный мост из IPM. Все возможные коммутации обмоток двигателя указанных электроприводов обеспечивает схема несимметричного моста. Если в схеме, рис. 3.4, между выводами «Р» IPM1 и IPM2 поставить перемычку (пунктирная линия), т. е. U_d = U₀, и управлять в приведенной схеме транзисторами только одной диагонали VT1…VT4 или VT2…VT3, то обеспечивается несимметричная схема коммутатора.

Рис 3.5. Вместо обмотки двигателя подключается высокочастотный дроссель специальной конструкции и устанавливаются электролитические конденсаторы С_d и С₀ большей емкости, чем эти же конденсаторы при схеме коммутатора. При передаче энергии слева направо используется несимметричный мост, причем управление ключами ведется раздельное: VT1 работает в режиме широтно-импульсной модуляции ШИМ (VT4 выключен) при понижении напряжения, т. е. когда U_d <U₀, или работает VT4 в режиме ШИМ (VT1 выключен) при повышении напряжения, т. е. когда U_d >U₀. Если исключить из схемы IPM2, а вывод 2 дросселя L1 присоединить к + U_d, то образуется схема понижающего преобразователя. Если исключить из схемы IPM1, а вывод 1 дросселя L1 присоединить к + U_d, то образуется схема повышающего преобразователя постоянного тока при том же направлении передачи энергии. Для обеспечения двунаправленной передачи энергии при U_d < U₀ достаточно оставить в схеме IPM1 и раздельно использовать ключ VT1 для передачи энергии слева направо, а ключ VT2 для передачи энергии справа налево. При U_d >U₀ в схеме остается IPM2, в котором раздельно используется ключ VT4 для передачи энергии слева направо, а ключ VT3 для передачи энергии справа налево.

Для электроприводов постоянного тока применяется модуль выпрямителя, рис. 3.6. Этот модуль обеспечивает работу двигателя с четырехквадрантными механическими характеристиками. Наличие входного LC-фильтра придает модулю характер активного выпрямителя, формирующего достаточно синусоидальную форму тока в питающей выпрямитель сети переменного тока. В режиме рекуперации энергии в сеть модуль работает как инвертор, ведомый сетью, а в режиме потребления энергии из сети – как три согласованно управляемых двунаправленных повышающих преобразователей постоянного тока. Для обеспечения требуемого уровня напряжения на стороне постоянного тока используется датчик напряжения U₀, а для управления потоком энергии из сети в цепь постоянного тока или обратно используется датчик тока i₀. Для ограничения тока заряда конденсатора фильтра С₀ через обратный мост активного выпрямителя при его подключении к сети используется ограничительный резистор R, который шунтируется после заряда конденсатора контактом K контактора по команде микроконтроллера. Ограничение до безопасных пределов напряжения на силовых выводах (коллектор-эмиттер) достигается применением пассивных снабберных цепей, активным ограничением напряжения или регулировкой скорости переключения с помощью схемы управления затвором.

MOSFET-транзистор способен поглощать без повреждения лавинную энергию высоких значений, что позволяет им безопасно работать на индуктивную нагрузку, в отличие от IGBT. Основные схемы снабберных цепей показаны на рис. 3.4. Пассивные снабберные цепи предназначены для ограничения уровня перенапряжений, вызванных наличием паразитных индуктивностей шин питания. При наличии снабберной емкости эта энергия переходит в конденсатор, номинал которого определяет уровень перенапряжения: . Накопленная в емкости энергия должна быть сброшена на снабберных резистор или шину питания доследующего цикла коммутации тока. Простейший способ ограничения выбросов напряжения на силовой шине питания – установка снабберной емкости непосредственно на выводы питания модуля. Чтобы подавить паразитные генерации, наводимые в контуре, образованном емкостью снаббера и индуктивностью шины, при-меняют RC-снабберы. Такие схемы рекомендуются для низковольтных сильноточных схем, построенных, как правило, на MOSFET. В мощных высокочастотных преобразователях используются RCD-снабберы, примеры которых приведены на рис. 3.4, в и 3.4, г. Основное требование, предъявляемое к диоду снаббера, – минимальная индуктивность выводов. Естественно, что топология снабберной схемы должна обеспечивать низкую распределенную индуктивность связей.

Полупроводниковые силовые модули: диод, тиристор, IPM и IGBT

Возможность производства и хранения энергии из возобновляемых источников энергии является важным вопросом, благодаря которому все чаще переходят на электроприводы, заменяющие двигатели внутреннего сгорания, например в автотехнике. Для работы этих и многих других устройств требуются полупроводниковые силовые модули.

Что такое полупроводниковые силовые модули

Силовые модули — это элементы, обычно используемые в схемах, связанных с преобразованием электроэнергии. В эту группу входят такие элементы, как диоды, тиристоры и транзисторы, предназначенные для работы в сильноточных и высоковольтных устройствах.

В основном используются модули следующего типа:

• IPM – комплексные силовые модули со встроенным драйвером
• диод и диод-тиристор,
• тиристор,
• IGBT.

Сложные условия эксплуатации определяют необходимость использования достаточно крупного корпуса, позволяющего эффективно отводить тепло, выделяющееся при протекании тока большой силы. Часто для этой цели в конструкции корпуса используется и металлическая основа, обеспечивающая хороший тепловой контакт с радиатором. Для передачи мощных токов необходимо использовать винтовые или соединительные клеммы, которыми и оснащены модули. В зависимости от требований имеются решения с одинарными конструкциями, а также более сложные соединения, готовые к непосредственному применению.

В связи с непрерывным прогрессом в области эффективности преобразования энергии, силовые модули нашли широкое применение, например в индустрии электромобилей, являясь элементом схем управления электродвигателями в электромобилях, а также в промышленности – в электроприводах различной мощности. Полупроводниковые силовые модули можно найти во всех видах блоков питания, регуляторов мощности и выпрямителей. Они также являются частью оборудования инверторов или систем накопления энергии. Отвечают за переработку электроэнергии вырабатываемой в турбинах.

Конструкция и характеристики модулей

Тиристорные или диодные модули представляют собой простейшие конфигурации с одним или двумя полупроводниковыми элементами. Возможны разные варианты подключения, в том числе простые диодные модули, соединенные последовательно с общим анодом или катодом. Тиристорные модули могут быть оснащены одним тиристором, двумя в двухтактном исполнении и двойным последовательным соединением или с общим катодом.

Благодаря эффективной системе отвода тепла эти компоненты подходят для работы с токами до 3 кА. А благодаря модульной конструкции такие тиристоры могут быть соединены внутри с диодами. Такие элементы обычно используются в выпрямителях, сварочных аппаратах или двигателях постоянного тока. Примером подключения является модуль СКХ106/12Е от Semikron, с максимальным током 200 А.

Предложение также включает модули с IGBT-транзисторами. Они позволяют коммутировать очень большие токи, в том числе превышающие 1000 А при номинальном запирающем напряжении 6 кВ и даже выше. С их использованием можно создавать схемы с выходной мощностью до нескольких сотен киловатт. Примером решения является модуль SKM600GA17E4, который обычно используется в мощных инверторах или ИБП.

Компактный интеллектуальный силовой модуль для частотно-регулируемых приводов малой мощности

Частотно-регулируемые приводы малой мощности широко используются, например, в бытовых и промышленных кондиционерах. Для ускорения вывода этих изделий на рынок, уменьшения габаритов и упрощения теплоотвода Infineon предлагает новый силовой модуль, объединяющий в одном корпусе повышающий корректор коэффициента мощности (ККМ), инвертор и драйвер затворов.

Интеллектуальный силовой модуль IPM (Intelligent Power Module) объединяет силовые каскады корректора коэффициента мощности (ККМ) и инвертора. Модуль IPM оптимизирован для работы с частотно-регулируемыми приводами малой мощности. В корпусе с двурядным расположением выводов, выполненном по технологии трансферного прессования, размещены трехфазный инвертор и одноканальный повышающий ККМ, а также драйвер затворов, изготовленный по технологии «кремний на изоляторе» (SOI). Применение модуля IPM позволяет существенно снизить габаритные размеры и стоимость системы управления электродвигателем.

Обзор технологии IPM

Интеллектуальный силовой модуль IPM (рисунок 1) включает в себя каскад корректора коэффициента мощности (ККМ) и каскад инвертора. Инвертор содержит шесть 600-вольтовых транзисторов IGBT, изготовленных по технологии TRENCHSTOP TM , шесть диодов EMCON (Emitter Controlled – «управляемый по эмиттеру»), драйвер затвора со встроенным bootstrap-диодом, изготовленный по технологии SOI, и терморезистор, обеспечивающий контроль температуры кристалла. Каскад ККМ содержит 650-вольтовый транзистор IGBT TRENCHSTOP TM и быстрый диод EMCON, сочетающий высокую скорость коммутации и мягкую характеристику переключения.

Рис. 1. Структурная схема интеллектуального силового модуля

Снижение стоимости модуля

Снижение общей стоимости изделия является одной из наиболее важных задач, стоящих перед разработчиками современных систем управления электродвигателями. На общую стоимость изделия существенно влияет не только стоимость комплектующих (например, модуля IPM), радиатора и печатной платы, но также время выхода изделия на рынок.

Конструкция и габаритные размеры корпуса модуля

Внешний вид и габаритные размеры корпуса модуля IPM с высокой степенью интеграции показаны на рисунке 2. Корпус размером 21х36х3,1 мм представляет собой компактную конструкцию серии CIPOS TM Mini (Control Integrated POwer System) и соответствует требованиям стандарта UL (UL 1557 File E314539) и спецификации RoHS.

Рис. 2. Внешний вид модуля

Силовой модуль выполнен по технологии непосредственного присоединения медных проводников к подложке (Direct Copper Bond, DCB), что обеспечивает высокий коэффициент ее теплопроводности. На рисунке 3 показана внутренняя структура модуля IPM в разрезе. Все тепловыделяющие элементы – транзисторы IGBT и диоды – размещены на подложке с медными проводниками, что позволяет реализовать максимально возможный коэффициент теплопередачи. Вследствие этого, несмотря на малые габариты корпуса, силовой модуль IPM обеспечивает работу с электродвигателями мощностью до 3 кВт [1].

Рис. 3. Структура силового модуля IPM в разрезе

Габаритные размеры радиатора и печатной платы

Все силовые полупроводниковые (п/п) приборы – мостовой выпрямитель, транзистор IGBT и диод каскада ККМ, а также модуль IPM драйвера электродвигателя для лучшего отвода тепла устанавливают обычно на общем радиаторе. На рисунке 4 наглядно показано уменьшение размеров радиатора и печатной платы, а также упрощение процесса сборки при замене дискретных п/п приборов интегрированным модулем IPM [2].

Рис. 4. Установка силовых п/п на радиаторе: а) каскады ККМ и инвертора выполнены в отдельных корпусах; б) ККМ и инвертор совмещены в модуле IPM

Ускорение процесса разработки

Разработка схемы, топологии печатной платы и конструкции изделия могут составлять значительную часть процесса запуска его производства. Для ускорения процесса разработки и оценки возможностей нового модуля IPM имеется демонстрационная плата, содержащая минимальный набор периферии для управления электродвигателем (рисунок 5). Внешние источники питания +5 и +15 В, сигналы управления ШИМ, дроссель ККМ и электролитический конденсатор шины питания постоянного тока подключаются к демонстрационной плате проводным монтажом.

Рис. 5. Внешний вид демонстрационной платы модуля IPM: а) лицевая сторона, б) обратная сторона

Каскад ККМ с рабочим напряжением 650 В

Комапния Infineon Technologies разработала две линейки продуктов, отличающихся характеристиками транзисторов IGBT каскада ККМ – High Speed 3 (HS3) и TRENCHSTOP TM 5 (TS5) с частотами коммутации, соответственно, 20 и 40 кГц (таблица 1). Быстрый диод EMCON разработки Infineon оптимизирован для работы с транзистором IGBT TRENCHSTOP TM в повышающем преобразователе ККМ. Данный диод сочетает малое прямое падение напряжения VF для уменьшения потерь проводимости с малым значением тока обратного восстановления Irr, что позволяет снизить энергию E_ON потерь на включение IGBT [3]. Все IGBT каскада ККМ имеют рабочее напряжение 650 В и обеспечивают надежную и устойчивую работу, в том числе – при нестабильном напряжении сети переменного тока [4].

Таблица 1. Значения рабочих токов и напряжений и частоты коммутации линеек IGBT

Основные характеристики инвертора

Каскад инвертора включает в себя драйвер на изолированной подложке (SOI), устойчивый к переходным процессам, и терморезистор, которые в совокупности обеспечивают ряд дополнительных функций для безопасной эксплуатации инвертора:

• при переходных процессах допускается отрицательное напряжение на выводе VS до -11 В при VBS = 15 В;
• схема bootstrap интегрирована в драйвер затворов;
• при пониженном напряжении питания драйвера происходит блокировка работы всех каналов;
• предотвращается появление сквозных токов в силовых транзисторах;
• все шесть ключей остаются в выключенном состоянии при срабатывании защиты;
• при перегрузке по току происходит отключение;
• осуществляется контроль температуры.

Защита перегрузки по току

Новый модуль IPM контролирует напряжение на выводе ITRIP, и при превышении им величины V_IT,TH+ (порога нарастающего положительного напряжения) вырабатывается аварийный сигнал, выключающий все шесть транзисторов IGBT. Максимальную величину порога перегрузки по току устанавливают, как правило, в два раза меньше номинального тока коллектора (рисунок 6) [5].

Рис. 6. Временная диаграмма срабатывания защиты от перегрузки по току

Защита от перегрева

В состав модуля IPM входит терморезистор, обеспечивающий защиту от перегрева. Номинальное сопротивление терморезистора составляет 85 кОм при температуре 25°C и 5,4 кОм при 100°C (рисунок 7).

Рис. 7. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры

Как видно из рисунка 8, терморезистор модуля подключен параллельно открытому стоку транзистора аварийного сигнала, вследствие чего выход VFO модуля может подключаться одновременно к входу АЦП и входу обнаружения неисправности микроконтроллера.

Рис. 8. Схема защиты модуля от перегрева

Для номинала подтягивающего резистора R1 = 3,6 кОм предельной температуре модуля 100°C соответствует напряжение на выводе VFO 2,95 В при Vcrt = 5 В и 1,95 В при Vcrt = 3,3 В (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость напряжения VFO от температуры

Тепловой режим модуля

На рисунке 10 показаны испытательная схема модуля и осциллограммы ее работы, на основе которых можно определить рабочие характеристики и тепловой режим модуля при входной мощности 2 кВт. Управление силовым каскадом ККМ осуществляется контроллером ICE2PCS05G, входная мощность P_IN = 2 кВт, питание осуществляется от сети переменного тока V_IN = 220 В, частота – 60 Гц. Напряжение шины питания постоянного тока V_DC = 400 В, частота коммутации инвертора 5 кГц, частота коммутации ККМ 20 кГц, нагрузка активно-индуктивная (R = 13,75 Ом, L = 2,96 мГн, коэффициент мощности нагрузки 0,99), MI = 0,69, сопротивление резистора цепи затвора Rg = 5,1 Ом, температура окружающей среды Ta = 25°C. Испытуемый модуль – IFCM15S60GD. На входе испытуемого устройства коэффициент мощности составляет 0,995, а суммарный коэффициент гармонических искажений – 9,78%.

Рис. 10. Испытательная схема модуля (а) и осциллограммы в контрольных точках испытательной схемы (б)

Температура корпуса в месте установки IGBT каскада ККМ составляет 67,5°C, что является максимальной температурой модуля, при этом температура инвертора не превышает этого значения. Результаты исследования теплового режима IFCM15S60GD показывают возможность его работы с нагрузкой 2 кВт и более (рисунок 11).

Рис. 11. Контрольные точки измерения температуры модуля IFCM15S60GD (а) и графики установления температуры в контрольных точках модуля (б)

Заключение

Новый интеллектуальный силовой модуль представляет собой оптимальный вариант устройства, объединяющего в себе инвертор и ККМ, что позволяет использовать его в приводах электродвигателей с переменной частотой вращения, например, в комнатных кондиционерах. Компания Infineon Technologies обладает всеми необходимыми технологиями и оказывает поддержку своим клиентам в производстве компактных и эффективных устройств, отличающихся минимальными габаритами, привлекательной ценой и малым временем выхода изделий на рынок.

Особенности применения интеллектуальных силовых модулей

Современный IPM — это гибридный модуль, содержащий скоростные IGBT-транзисторы, соединенные в определенной конфигурации, схему управления, оптимизированную по характеристикам управления затвора для данных транзисторов, схему защиты от перегрузок и схему индикации состояния. Для надежной работы модуля схема защиты должна уметь анализировать режим перегрузки по току (overload), режим короткого замыкания нагрузки (SC — short circuit), режим пробоя (breakdown), а также падение напряжения управления (UVLO — Under Voltage LockOut) и перегрев (overheat).

Стоимость IPM во всех случаях оказывается выше, чем стоимость набора дискретных комплектующих, способных решить ту же задачу. Однако повышение надежности, упрощение процесса сборки, снижение весо-габаритных показателей несомненно стоят того, чтобы использовать в своей разработке именно интеллектуальный силовой модуль.

Мощностные характеристики выпускаемых модулей

В табл. 1 приведены данные о предельных характеристиках транзисторов, модулей и интеллектуальных модулей, выпускаемых ведущими мировыми производителями. Таблица дает возможность увидеть колоссальный прогресс, достигнутый за последние годы в технологии производства IGBT.

В табл. 2 представлены некоторые типы IPM различных производителей для преобразователей стандартного ряда мощности, данного в 1 столбце.

Предельное напряжение большинства выпускаемых интеллектуальных силовых модулей составляет 1200 или 1700 В, что является оптимальным значением для безопасной работы от промышленной сети 380 В.

В таблицах приняты следующие обозначения:

IPM — интеллектуальный силовой модуль; HB — полумост; Single — одиночный модуль; 6-pack — полный трехфазный транзисторный мост и трехфазный выпрямитель; 7-pack — полный трехфазный транзисторный мост с тормозным транзистором и трехфазный выпрямитель; Ic — ток коллектора; Uce — напряжение коллектор-эмиттер.

Конструкция IPM

Интеллектуальные силовые модули (IPM) объединяют в одном устройстве силовой ключ (одиночный, полумостовой или 3-фазный мостовой), драйвер, оптимизированный по сигналам управления, и устройство защиты. Минимальные длины линий связи позволяют получить низкие значения распределенных индуктивностей, что уменьшает уровень переходных перенапряжений и уровень EMI. Хорошая тепловая связь элементов кристалла повышает надежность работы схемы защиты.

IPM представляют собой многослойную конструкцию с эпоксидной изоляцией (в маломощных модулях) или керамической изоляцией (в модулях средней и большой мощности). Медные линии связи элементов модуля напыляются непосредственно на изолятор, что исключает пайку. Элементы схемы управления расположены на печатной плате, которая устанавливается непосредственно на силовой модуль. Эта плата также является многослойной и обычно имеет специальный экран для повышения стойкости к EMI. Один из вариантов конструкции IPM показан на рис. 1.

Область безопасной работы и схема защиты IPM

Область безопасной работы (ОБР или SOA — safe operating area) определяет допустимые сочетания токов и напряжений, при которых не нарушается безопасная работа модуля. Поэтому желательно, чтобы схема защиты ограничивала режимы не по предельному току, а по параметрам области безопасной работы. IPM имеют встроенные цепи управления и защиты, что позволяет повысить надежность функционирования по сравнению с обычными модулями.

Для IPM обычно задается 2 вида области безопасной работы — ОБР для режима короткого замыкания (Short Circuit SOA — SCSOA) и ОБР для импульсного режима (Switching SOA — SSOA).

SSOA задает ограничения на ток и напряжение, одновременно действующие на модуль при выключении. В IPM, как правило, исключены многие недопустимые сочетания за счет алгоритма работы драйвера и настройки схемы защиты. Поэтому безопасным для IPM считается режим, когда напряжение питания не превышает определенного для модуля напряжения источника питания (VCC), а перенапряжение при выключении не превышает предельного значения напряжения коллектор-эмиттер (VCES).

При коротком замыкании в схеме с нулевым импедансом источника питания ток КЗ определяется только характеристиками силового ключа. SCSOA гарантирует безопасную работу в однократном режиме КЗ принапряжении питания ниже значения VCC, при перенапряжении в цепи коллектор-эмиттер каждого модуля, меньшем VCES, и температуре кристалла ниже 125 °С. Термин «однократный режим КЗ» подразумевает, что количество коротких замыканий ограничено (оно приводится в технических характеристиках) и время между КЗ значительно больше тепловой постоянной времени кристалла.

Как и обычные IGBT-транзисторы, IPM не предназначены для работы в линейном режиме. Встроенный драйвер IPM исключает любую возможность линейного режима работы, отключая силовой транзистор при повышении напряжения насыщения выше допустимого уровня.

На рис. 2 приведена типовая структурная схема одиночного интеллектуального модуля. Схема защиты IPM определяет состояние перегрузки и короткого замыкания (защита RTC), превышения напряжения насыщения, падения напряжения питания (контроль питания и UVLO) и температуру кристалла (датчик перегрева). При отклонении от нормы любого из перечисленных параметров схема защиты отключает силовой транзистор и выдает сигнал неисправности. Модуль может также содержать встроенный супрессор (ограничение) для защиты от импульсных перенапряжений.

При перегреве модуля выше заданного значения датчик температуры, установленный на основании модуля, выдает сигнал неисправности. По этому сигналу схема управления отключает силовые транзисторы.

В полумостовых и мостовых конфигурациях отключаются обычно транзисторы нижнего уровня. Повторное включение произойдет после охлаждения модуля до порога включения. Однако наличие тепловой защиты не может гарантировать, что мощный кристалл не выйдет из строя ни при каких условиях. Кристалл может перегреться до того, как разогреется основание модуля и термодатчик. Это может произойти, например, из-за сбоя контроллера и повышения частоты коммутации или из-за появления дребезга в цепи управления.

В IPM, как правило, используются IGBT со встроенным датчиком тока. Если ток коллектора модуля превышает предельное значение в течение определенного времени, модуль отключается. Наиболее «интеллектуальные» схемы управления различают два пороговых значения тока — ток перегрузки, начиная с которого начинается анализ неисправности и формируется контрольный сигнал, и ток КЗ, по которому происходит отключение.

После возникновения состояния перегрузки напряжение на затворе снижается, что приводит к уменьшению тока коллектора. Затем, если состояние перегрузки не прекращается, через 5–10 мкс напряжение на затворе снижается до нуля. При этом снижение напряжения на затворе производится по определенному закону. Такое «мягкое» отключение необходимо для уменьшения значения di/dt и снижения переходного перенапряжения при выключении.

На рис. 3 показаны процессы, происходящие при мгновенном «жестком» и «мягком» отключении. Видно, что во втором случае уровень перенапряжения гораздо ниже.

В современных IPM используется непрерывный мониторинг тока каждого силового ключа и общего тока потребления. Это необходимо для определения всех видов токовых перегрузок, включая пробой на корпус. Состояние КЗ наступает при замыкании нагрузки или сбое контроллера, когда открывающие сигналы поступают на оба плеча полумостового каскада, вызывая сквозной ток. При этом измеряется непосредственно ток силового каскада, а не напряжение насыщения. Если ток коллектора достигает порогового значения ISC, процесс отключения начинается мгновенно.

Однако снижение напряжения на затворе происходит в описанной выше последовательности для уменьшения уровня переходных перенапряжений. Для снижения времени задержки между моментом обнаружения состояния КЗ и моментом отключения в наиболее «продвинутых» IPM используется так называемая схема RTC — схема контроля тока в реальном времени (RTC — real time current control). Это устройство работает параллельно драйверу, «обходя» все стадии его работы в режиме КЗ и снижая время обработки сигнала до 100 нс. Эффект от использования схемы RTC показан на рис. 4. Снижение времени обработки сигнала токовой перегрузки уменьшает ток КЗ и, соответственно, уровень перенапряжения почти в 2 раза.

Применение IPM

Применение IPM по сравнению с обычными модулями намного упрощает задачу разработчику. Как правило, для работы с IPM необходимы один или несколько гальванически изолированных источников питания (или один многоканальный источник) и гальванически изолированный интерфейс для связи с контроллером. Количество вторичных источников питания зависит от конфигурации модуля. Для мощных модулей наиболее рационально использовать отдельный источник для каждого силового ключа. Это позволяет устранить проблемы, связанные с шумами и помехами, создаваемыми мощными токами. Напряжение изоляции вторичного источника должно быть в 2 раза больше, чем предельное рабочее напряжение модуля, а ток должен быть достаточным для питания схемы управления с учетом токов заряда затворов и рабочей частоты. При использовании интеллектуальных силовых модулей бутстрепное питание не рекомендуется, так как пульсации напряжения на бутстрепной емкости могут приводить к сбою в работе схемы защиты.

При разработке изолированного источника питания или использовании готового необходимо обратить внимание на величину паразитной емкости между изолированными частями источника. Емкость более 100 пФ может привести к шумам и сбою в работе драйвера.

Параллельно выводам питания схемы управления должен быть установлен электролитический или танталовый конденсатор.

Конденсатор необходим для фильтрации синфазных помех и обеспечения высоких пиковых токов заряда затвора.

Гальваническая развязка сигналов управления IPM может осуществляться с помощью оптопар, импульсных трансформаторов или волоконно-оптических линий связи. В любом случае, большое значение имеет топология платы. Плата должна быть разведена так, чтобы были минимизированы паразитные емкости между изолированными цепями управляющего сигнала, цепями источников питания, управляющими сигналами каналов. Ниже приведены указания, которыми следует руководствоваться при разработке печатной платы для IPM.

1. Изолируйте гальванически управляющие и контрольные сигналы. Используйте быстродействующие оптопары с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала (CMR). Рекомендуемые параметры: время переключения — не более 0,8 мкс, CMR — более 10 кВ/мкс. Рекомендуемые микросхемы: HCPL4503, HCPL4504, PS2041.
2. Минимизируйте паразитные емкости, используя разнесение проводников или разные слои печатной платы.
3. Используйте изолированные источники питания драйверов каждого силового плеча.
4. Используйте линии связи схемы управления с IPM минимальной длины.
5. Применяйте экранирование. В качестве экрана может быть использован один из слоев платы (см. рис. 5).

Главное препятствие на пути применения IPM — их цена, которая может в несколько раз превысить суммарную стоимость дискретных комплектующих элементов, решающих ту же задачу.