IPM智能功率模塊電路設(shè)計及其在有源濾波器裝置中應(yīng)用

張?jiān)? 李少飛 李曉龍

IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊的相關(guān)功能完善、安全性能極高，其在主電路的有源電力濾波器裝置中進(jìn)行運(yùn)行時，具有體積小、集成度高的特點(diǎn)。在有源濾波器中應(yīng)用到IPM能夠在很大程度上簡化裝置的主電路，進(jìn)而提高整體性能的穩(wěn)定性。IPM在裝置中主要包括了驅(qū)動電路、緩沖吸收以及保護(hù)電路三個部分。本文通過分析IPM在有源濾波器中的設(shè)置，總結(jié)出其在有源濾波器裝置中的具體應(yīng)用。

前言

伴隨著計算機(jī)技術(shù)與電力電子技術(shù)以及運(yùn)動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子器件在這樣的環(huán)境中也發(fā)生著巨大的轉(zhuǎn)變。根據(jù)國內(nèi)外的研究背景來分析，變頻技術(shù)正在朝著小型化、多功能的方向發(fā)展，而電力電子器件也從半控器件、全控器件、功率模塊一直發(fā)展到現(xiàn)在的智能功率模塊。智能功率模塊具有集成度高和體積小的特點(diǎn)，其在有源濾波器裝置中的應(yīng)用能夠有效保護(hù)電路以及控制電壓。本文研究了IPM的電路設(shè)計，并分析了其具體應(yīng)用。

一、IPM智能功率模塊的概述

智能功率模塊是由高速和低功率的電子芯片以及優(yōu)選的門級驅(qū)動和保護(hù)電路共同構(gòu)成的。由此看來，其具有開關(guān)速度快和功耗低的特點(diǎn)。智能功率模塊中每一個晶體管的驅(qū)動電路都設(shè)計出了最佳的驅(qū)動條件。和傳統(tǒng)的晶體管模塊相比，IPM在系統(tǒng)性能以及可靠性方面都有了很大程度的提高[1]。

IPM應(yīng)用于有源濾波器當(dāng)中能為內(nèi)建中的保護(hù)電路提供4種保護(hù)功能，分別是過流保護(hù)、短路保護(hù)、欠壓保護(hù)以及過熱保護(hù)功能。在實(shí)際的工作當(dāng)中，如果IPM模塊中體現(xiàn)出一種保護(hù)電路的動作，整個濾波器的驅(qū)動單元就會關(guān)閉門極電流，同時傳輸出一個故障信號，有效保護(hù)整個電路。

二、IPM智能功率模塊的電路設(shè)計

智能功率模塊的電路設(shè)計主要包含了三個方面內(nèi)容，分別是驅(qū)動電路部分、緩沖吸收電路部分以及保護(hù)電路部分。

在實(shí)際的智能功率模塊中，有一種R型的智能功率模塊，在其內(nèi)部一共裝有7個晶體管，并在1200V/75A的條件下運(yùn)行。由于智能功率模塊內(nèi)部裝置了驅(qū)動電路，因此和普通晶體管驅(qū)動的電路設(shè)計相比而言，外部驅(qū)動的電路設(shè)計則更加簡潔。之所以出現(xiàn)這種簡便的裝置，根本原因在于驅(qū)動電源以及光耦接口中電路的設(shè)計[2]。

值得注意的是，智能模塊功率對驅(qū)動電路的輸出電壓有著十分嚴(yán)格的要求，這種嚴(yán)格的要求具體體現(xiàn)在：首先，驅(qū)動電壓的范圍為（1±10%）×15V，如果電壓小于13.5V的話將會發(fā)生欠壓保護(hù)的現(xiàn)象，電壓如果高于16.5V的話將會產(chǎn)生損壞內(nèi)部零件的情況。其次，驅(qū)動電壓要相互隔離，以此避免地線的噪聲相互干擾。最后一點(diǎn)，驅(qū)動電流輸出端濾波的總體電容量不能過大，因?yàn)楫?dāng)所寄生的電容超過了100pF時，噪聲的干擾將會有可能在錯誤的情況下觸發(fā)到內(nèi)部的驅(qū)動電路[3]。

在緩沖吸收電路的部分中，智能功率模塊所產(chǎn)生電壓的主要原因是存在著關(guān)斷浪涌電壓和續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓。關(guān)斷浪涌電壓是指在關(guān)斷的瞬間流過晶體管的電流時產(chǎn)生瞬態(tài)的高壓，而當(dāng)續(xù)流二極管恢復(fù)到反向的阻斷能力時就會產(chǎn)生和關(guān)斷浪涌所相似的浪涌電壓。因此，為了保護(hù)晶體管就必須使用到緩沖吸收電路，緩沖吸收電路可以用來控制晶體管等功率元件的關(guān)斷浪涌電壓以及續(xù)流二極管恢復(fù)浪涌電壓，從而在減少對開關(guān)損耗的同時能夠使功率元件的功率達(dá)到極限。

三、智能功率模塊的具體應(yīng)用

驅(qū)動電路IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊是主電路和控制電路之間的一個接口，該接口的作用是確保驅(qū)動電路的穩(wěn)定，而穩(wěn)定的驅(qū)動電路對有源濾波器（APF）整個裝置的運(yùn)行、可靠性能以及安全性能都有著十分重要的意義。在功率的驅(qū)動電路當(dāng)中，保護(hù)電路是不可或缺的一項(xiàng)功能，完整的系統(tǒng)保護(hù)不能夠僅僅依靠智能功率模塊當(dāng)中的內(nèi)部保護(hù)功能，在實(shí)際的運(yùn)行當(dāng)中還需要借助外圍的保護(hù)電路。IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊內(nèi)部保護(hù)功能在其發(fā)生故障的時候會有效輸出一個故障的信號，外圍的保護(hù)就是在故障信號處理的基礎(chǔ)上提供保護(hù)措施[4]。

在傳統(tǒng)的有源濾波器（APF）中，所采用的是電感和電容的元件來運(yùn)行，這種元件組成具有很大的弊端，比如說其具有占用的體積大、受到參數(shù)的影響比較大以及補(bǔ)償性差的缺陷等，故傳統(tǒng)的有源濾波器僅僅能夠抑制住固定次數(shù)的諧波。而應(yīng)用IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模塊在有源濾波器（APF）中，在很大程度上會提升其運(yùn)行的能力，同時產(chǎn)生出高速的輸出沖脈。如果在實(shí)際的運(yùn)用中能夠使用多種結(jié)構(gòu)來進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)的工作，將會得到更多的控制點(diǎn)，輸出的波形也會更加明顯[5]。

結(jié)論：目前，在我國的電力有源濾波器（APF）中，智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）的應(yīng)用極為廣泛。將由絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的智能功率模塊IPM應(yīng)用在有源濾波器（APE）中，可以有效簡化電路中的設(shè)計，減少相關(guān)的智能功率控制環(huán)節(jié)，從而大幅度提高電路系統(tǒng)的安全性及可靠性。所以，只要在電路設(shè)計時注意對智能功率模塊IPM相關(guān)電路的設(shè)計，就能更好的完善電路中的智能功率控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1]袁濤，鄭建勇，康靜.IPM智能功率模塊電路設(shè)計及其在有源濾波器裝置中應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備，2011，05（19）：88-91.

[2]曾偉，程漢湘.《電力自動化設(shè)備》2007年著者索引（第27卷第1～12期）[J].電力自動化設(shè)備，2011，12（21）：113-121.

[3]劉建，吳春芳，朱約章，IGBT-IPM智能模塊的電路設(shè)計及在SVG裝置中的應(yīng)用[J].國外電子元器件，2014，03（22）：40-44.

[4]吳國亮，鄒秀斌，孫斌.IPM智能功率模塊在高精度慣導(dǎo)測試設(shè)備中的應(yīng)用[J].計算機(jī)測量與控制，2010，10（10）：2247-2249-2252.

[5]范瑞祥，羅安，李欣然.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及應(yīng)用研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，02（09）：106-111.

（作者單位：陜西烽火電子股份有限公司）