IPM自舉分析與研究

中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李 勇 李園園

IPM（智能功率模塊）是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件，具有GTR 高電流密度、低飽和電壓和耐高壓的優(yōu)點(diǎn)，以及MOSFET 高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn)[1]。應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，囊括了電力、工業(yè)、家電、新能源等各類領(lǐng)域。在未來，隨著節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)和技術(shù)的不斷開發(fā)和提升，IPM 模塊將發(fā)揮越來越重要的作用，成為新能源、智能工廠等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。本文以三菱第五代IPM 為例，詳細(xì)研究了IPM 模塊自舉電路的關(guān)鍵要素。

1 自舉電路的工作

自舉電路由一個(gè)自舉二極管，一個(gè)自舉電容和一個(gè)限流電阻組成。如圖1所示，其使用自舉電容作為驅(qū)動(dòng)P 側(cè)IGBT 和MOSFET 的控制電源。自舉電容提供P 側(cè)器件開通時(shí)柵極充電所需電荷，并提供P 側(cè)驅(qū)動(dòng)IC 中邏輯電路消耗的電流[3]。如圖2所示，由于采用自舉電容代替隔離電源，其供電能力是受到限制的。所以，利用自舉電路實(shí)現(xiàn)的浮動(dòng)電源只適用于如DIPIPM 這樣對(duì)電源電流要求較小的器件。

圖2 自舉電路電路圖

逆變過程中當(dāng)輸出端（U/V/W）電位會(huì)拉低到GND 附近時(shí)，N 側(cè)15V 的控制電源會(huì)通過限流電阻和自舉二極管對(duì)自舉電容充電。但由于開關(guān)序列，自舉電容容量，限流電阻等限制使自舉電容可能不能完全充電。充電不完全將導(dǎo)致的自舉電容欠壓，進(jìn)而使模塊工作進(jìn)入欠壓保護(hù)狀態(tài)。由于驅(qū)動(dòng)電壓降低，P 側(cè)器件的功率損耗將增加直至進(jìn)入欠壓保護(hù)而停止開關(guān)。所以，在自舉電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做充分的考慮和評(píng)估。

2 初始化充電

系統(tǒng)上電時(shí)自舉電容電壓為0V，或者經(jīng)歷一段停止?fàn)顟B(tài)（1s）自舉電容電壓可能會(huì)降至欠壓保護(hù)觸發(fā)值之下，這些情況下就需要在運(yùn)行前對(duì)自舉電容進(jìn)行初始化充電。一般情況下，可以通過開通所有N 側(cè)IGBT 實(shí)現(xiàn)自舉電容充電，如圖3所示。當(dāng)外部負(fù)載（如電機(jī)）連在DIPIPM 時(shí)，由于所有的輸出端子會(huì)通過電機(jī)內(nèi)部導(dǎo)線接地，自舉電容充電只需開通一相N 側(cè)IGBT。但充電效率將會(huì)受到一些因素（如電機(jī)內(nèi)阻）的影響（如圖4所示）。

圖3 初始化充電路徑

圖4 單相導(dǎo)通時(shí)充電路徑

自舉電容充電有兩種方式，一種是通過單個(gè)長脈沖實(shí)現(xiàn)，如圖5所示；另一種是通過多個(gè)短脈沖實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。多脈沖方式應(yīng)用于有控制電源容量，自舉二極管正向電流尖峰，限流電阻的額定功率等限制的情況下，在初始化充電過程中足夠長的脈沖是必須的。

圖5 單個(gè)脈沖充電時(shí)的波形

圖6 多脈沖充電時(shí)的波形

2.1 初始化充電時(shí)間

初始化充電時(shí)間取決于自舉電容的電容量，自舉二極管正向壓降和限流電阻阻值。粗略的充電時(shí)間常數(shù)可以通過自舉電容值和限流電阻值計(jì)算得到[4]。以三菱第5代超小型DIPIPM PS219C3（10A/600V）為例，集成自舉二極管和限流電阻（100Ω），如圖1所示。條件：自舉電容值=22μF或100μF，VD=15V。

由以上數(shù)據(jù)可知，時(shí)間常數(shù)：τ=C×R=22μF×100Ω=2.2ms，可知2.2ms 內(nèi)自舉電容充電并不能達(dá)到飽和（約達(dá)60%）。要使充電達(dá)到飽和，需要6倍于時(shí)間常數(shù)的時(shí)間[5]。由于充電路徑中N 側(cè)IGBT（VCE（sat））和自舉二極管（VF）產(chǎn)生的壓降，BSC 飽和電壓將低于控制電壓VD1.2V 左右，如圖3所示。

初始化充電需要持續(xù)到自舉電容電壓超過推薦的最小電源電壓13V。考慮到從充電結(jié)束到逆變器工作之間的電壓下降，初始化充電的電壓值應(yīng)越高越好[6]。

2.2 停止動(dòng)作時(shí)的電壓下降

停止運(yùn)行時(shí)，自舉電容的電壓會(huì)逐漸降低。下降速率可以通過自舉電容值C 和P 側(cè)控制IC 的穩(wěn)態(tài)電流IDB 估算得到：

電壓降ΔV=IDB×t/C，式中t為未充電時(shí)間，當(dāng)停止?fàn)顟B(tài)持續(xù)較長時(shí)間，VDB將降至13V 以下（VDB 推薦最小值）。開始運(yùn)行之前需要重新對(duì)自舉電容器充電。

3 運(yùn)行時(shí)充電

在PWM 信號(hào)（如三相調(diào)制正弦波控制信號(hào)）下的逆變操作中，自舉電容上的電荷將被電路電流（如：P 側(cè)IGBT 驅(qū)動(dòng)）消耗掉。P 側(cè)的IGBT 關(guān)斷后，在N 側(cè)IGBT 的開通或N 側(cè)FWDi 續(xù)流期間，輸出端（U/V/W）電位將降至GND 附近。如果此時(shí)自舉電容電壓VDB低于控制電源電壓（15V），自舉電容會(huì)通過自舉二極管再次充電。由于自舉二極管的開通，實(shí)際上當(dāng)VDB低于N 側(cè)控制電源電壓（15V）0.6V 時(shí)，充電就開始了。

由于輸出端電位是隨電機(jī)電流的流向（即電流流進(jìn)的N 側(cè)IGBT 或續(xù)流二極管FWDi）變化的，所以自舉電容電壓VDB是以輸出端電位為基準(zhǔn)的。所以當(dāng)N 側(cè)IGBT 或續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)自舉電容不是一直處在充電狀態(tài)。

在模式1中，輸出端電位（自舉電容的參考電位）是由正向電壓值VEC（i）決定的；在模式2中，輸出端電位是由IGBT 飽和壓降VCEsat（i）和旁路電阻壓降Rxi共同決定的，如下：

模式1：輸出端電位=GND（0V）-VEC（i）＜0V

模式2：輸出端電位=GND（0V）+VCEsat（i）+Rxi＞0V

由于VDB（自舉電容存儲(chǔ)電荷引起的電壓）是以輸出端電位為基準(zhǔn)，所以自舉電容上端的電位VBSC 計(jì)算公式如下：

模式1：VBSC=VDB-VEC（i）

模式2：VBSC=VDB+VCEsat（i）+Rxi

當(dāng)VBSC 與控制電源電壓15V 相差0.6V 或以上時(shí)，自舉二極管導(dǎo)通，充電開始。由此可見，自舉電容開始充電時(shí)的電壓VDB計(jì)算方式如下：

模式1：5-VBSC≥0.6，15+VEC（i）-0.6≥VDB

模式2：15-VBSC≥0.6，15-VCEsat（i）-Rxi-0.6≥VDB

4 充電元件選型

4.1 自舉電容器電容值的估算方法

由于自舉電容的充電狀態(tài)隨條件變化，難以估算一個(gè)絕對(duì)的VDB值（自舉電容電壓）。但在不考慮模式2充電的情況下，可以粗略估算VDB的變換范圍。以下條件為例：VD=15V，fc=15kHz，Io=5A（峰值），fo=60Hz，BSC=4.7μF。

如上述提到的，充電主要發(fā)生在電流為正的階段。電壓下降的時(shí)間為輸出電流周期的60%，這期間的電壓降等于此條件下的紋波電壓。

紋波電壓可以通過電路消耗電流、下降時(shí)間和自舉電容值估算：電壓降ΔV=下降階段消耗電荷量/自舉電容容值。

消耗電荷的計(jì)算公式如下：消耗電荷量=電路消耗電流值×輸出電流周期×60%；紋波電壓估算如下：電壓降V=610A16.6ms/4.7μF=1.3V。當(dāng)VDB的紋波電壓范圍在2Vp-p 以內(nèi)。在選取自舉電容值時(shí)，要綜合考慮使用條件、電容耐受性、電容的溫度特性、直流偏壓和壽命等相關(guān)因素。運(yùn)行過程中，自舉電容電壓的最小值應(yīng)高于上橋控制電源電壓VDB的最小推薦值13V。一般條件下，可以按照電壓降1V 計(jì)算的電容典型值的2～3倍選取電容。在上述情況中，若電容典型值為5.6μF，紋波電壓典型值為1V。若電容值為10～15μF(5.6μF 的2～3倍），紋波電壓將更接近理想值。

自舉電容主要采用電解電容器。近年來，大容量的陶瓷電容器也開始被采用。但應(yīng)用于直流電壓時(shí)，電解電容器的直流偏壓特性與陶瓷電容器大不相同。在應(yīng)用于直流15V 電壓時(shí)，有些陶瓷電容器的容量會(huì)在額定值的基礎(chǔ)上下降30%。

4.2 限流電阻的選擇

選擇合適的限流電阻需要考慮15V 控制電源的供電能力、自舉二極管的正向浪涌電流、充電初期限流電阻的額定功率。限流電阻值也會(huì)影響到逆變器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的充電效率。由于充電電流依賴于15V 的控制電源電壓和自舉電容電壓VDB之差。在保持充電電流大小不變的情況下，VDB的大小跟隨限流電阻大小變化而變化。綜上所述，應(yīng)在多種條件下進(jìn)行評(píng)估，使運(yùn)行過程中自舉電容電壓的最小值保持在控制電源電壓的推薦最小值13V 以上。