一般理論：每根發(fā)熱電纜需配備一個獨立的溫控器控制，當(dāng)單位面積很大，一個房間內(nèi)需要用到好幾根發(fā)熱電纜時，溫控器的數(shù)量也增加了。隨之成本增加。一般的解決方法是配備一個溫控箱，而這些配置。是一般家庭都不會去考慮的。這個時候就需要用到功率擴展模塊，可實現(xiàn)多根發(fā)熱電纜一個溫控器控制。那么小小的模塊到底是怎么實現(xiàn)的呢？原理是什么呢？下面為大家介紹下：

    智能功率模塊(IPM)是Intelligent Power Module的縮寫,是一種先進的功率開關(guān)器件,具有GTR(大功率晶體管)高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點,以及MOSFET(場效應(yīng)晶體管)高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點.而且IPM內(nèi)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(tǒng)的體積以及開發(fā)時間,也大大增強了系統(tǒng)的可靠性,適應(yīng)了當(dāng)今功率器件的發(fā)展方向——模塊化、復(fù)合化和功率集成電路(PIC),在電力電子領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用.本文以三菱公司PM100DSA120為例,介紹IPM的基本特性,然后著重介紹IPM的驅(qū)動和保護電路的設(shè)計.
　　1 IPM的基本工作特性
　　1．1 IPM的結(jié)構(gòu)
　　IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優(yōu)選的門級驅(qū)動及保護電路構(gòu)成,如圖1所示.其中,IGBT是GTR和MOSFET的復(fù)合,由MOSFET驅(qū)動GTR,因而IGBT具有兩者的優(yōu)點.
　　IPM根據(jù)內(nèi)部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內(nèi)部封裝一個IGBT)、D型(內(nèi)部封裝兩個IGBT)、C型(內(nèi)部封裝六個IGBT)和R型(內(nèi)部封裝七個IGBT).小功率的IPM使用多層環(huán)氧絕緣系統(tǒng),中大功率的IPM使用陶瓷絕緣.
　　1．2 IPM內(nèi)部功能機制
　　IPM內(nèi)置的驅(qū)動和保護電路使系統(tǒng)硬件電路簡單、可靠,縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間,也提高了故障下的自保護能力.與普通的IGBT模塊相比,IPM在系統(tǒng)性能及可靠性方面都有進一步的提高.
　　保護電路可以實現(xiàn)控制電壓欠壓保護、過熱保護、過流保護和短路保護.如果IPM模塊中有一種保護電路動作,IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷門極電流并輸出一個故障信號(FO).各種保護功能具體如下:
　　(1)控制電壓欠壓保護(UV):IPM使用單一的+15V供電,若供電電壓低于12．5V,且時間超過toff＝10ms,發(fā)生欠壓保護,封鎖門極驅(qū)動電路,輸出故障信號.
　　(2)過溫保護(OT):在靠近IGBT芯片的絕緣基板上安裝了一個溫度傳感器,當(dāng)IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時,發(fā)生過溫保護,封鎖門極驅(qū)動電路,輸出故障信號.
　　(3)過流保護(OC):若流過IGBT的電流值超過過流動作電流,且時間超過toff,則發(fā)生過流保護,封鎖門極驅(qū)動電路,輸出故障信號.為避免發(fā)生過大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式.
　　3.其中,VG為內(nèi)部門極驅(qū)動電壓,ISC為短路電流值,IOC為過流電流值,IC為集電極電流,IFO為故障輸出電流.
　　(4)短路保護(SC):若負載發(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作電流,則立刻發(fā)生短路保護,封鎖門極驅(qū)動電路,輸出故障信號.跟過流保護一樣,為避免發(fā)生過大的di/dt,大多數(shù)IPM采用兩級關(guān)斷模式.為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的響應(yīng)時間,IPM內(nèi)部使用實時電流控制電路(RTC),使響應(yīng)時間小于100ns,從而有效抑制了電流和功率峰值,提高了保護效果.
　　當(dāng)IPM發(fā)生UV、OC、OT、SC中任一故障時,其故障輸出信號持續(xù)時間tFO為1．8ms(SC持續(xù)時間會長一些),此時間內(nèi)IPM會封鎖門極驅(qū)動,關(guān)斷IPM;故障輸出信號持續(xù)時間結(jié)束后,IPM內(nèi)部自動復(fù)位,門極驅(qū)動通道開放.
　　可以看出,器件自身產(chǎn)生的故障信號是非保持性的,如果tFO結(jié)束后故障源仍舊沒有排除,IPM就會重復(fù)自動保護的過程,反復(fù)動作.過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況,應(yīng)避免其反復(fù)動作,因此僅靠IPM內(nèi)部保護電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護.要使系統(tǒng)真正安全、可靠運行,需要輔助的外圍保護電路. 2 IPM驅(qū)動電路的設(shè)計
　　驅(qū)動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口,良好的驅(qū)動電路設(shè)計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義.
　　2．1 IGBT的分立驅(qū)動電路的設(shè)計
　　IGBT的驅(qū)動設(shè)計問題亦即MOSFET的驅(qū)動設(shè)計問題,設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點:①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右,因此驅(qū)動電路輸出端要給柵極加電壓保護,通常的做法是在柵極并聯(lián)穩(wěn)壓二極管或者電阻.前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin,從而影響開關(guān)速度,后者的缺陷是將減小輸入阻抗,增大驅(qū)動電流,使用時應(yīng)根據(jù)需要取舍.②盡管IGBT所需驅(qū)動功率很小,但由于MOSFET存在輸入電容Cin,開關(guān)過程中需要對電容充放電,因此驅(qū)動電路的輸出電流應(yīng)足夠大,這一點設(shè)計者往往忽略.假定開通驅(qū)動時,在上升時間tr內(nèi)線性地對MOSFET輸入電容Cin充電,則驅(qū)動電流為Igt＝CinUgs/tr,其中可取tr＝2.2RCin,R為輸入回路電阻.③為可靠關(guān)閉IGBT, 防止擎住現(xiàn)象, 要給柵極加一負偏壓,因此最好采用雙電源供電.
　　2．2 IGBT集成式驅(qū)動電路
　　IGBT的分立式驅(qū)動電路中分立元件多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,保護功能比較完善的分立電路就更加復(fù)雜,可靠性和性能都比較差,因此實際應(yīng)用中大多數(shù)采用集成式驅(qū)動電路.日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應(yīng)用都很廣泛.
　　2．3 IPM驅(qū)動電路設(shè)計
　　現(xiàn)以PM100DSA120為例進行介紹.PM100DSA120是一種D型的IPM,內(nèi)部封裝了兩個IGBT,工作在1200V/100A以下,功率器件的開關(guān)頻率最大為20kHz.由于IPM內(nèi)置了驅(qū)動電路,與IGBT驅(qū)動電路設(shè)計相比,外圍驅(qū)動電路的設(shè)計比較方便,只要能提供15V直流電壓即可.
　　但是IPM對驅(qū)動電路輸出電壓的要求很嚴(yán)格?熏具體為:①驅(qū)動電壓范圍為15V±10%?熏電壓低于13．5V將發(fā)生欠壓保護,電壓高于16．5V將可能損壞內(nèi)部部件.②驅(qū)動電壓相互隔離,以避免地線噪聲干擾.③驅(qū)動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的兩倍(2Vces).④驅(qū)動電流可以參閱器件給出的20kHz驅(qū)動電流要求,根據(jù)實際的開關(guān)頻率加以修正.⑤驅(qū)動電路輸出端濾波電容不能太大,這是因為當(dāng)寄生電容超過100pF時,噪聲干擾將可能誤觸發(fā)內(nèi)部驅(qū)動電路.