智能功率模塊IPM（ Intelligent 功率 模組）是一種在高速、低耗的ICBT基礎上再集成柵極控制電路、故障檢測保護電路的電力電子模塊。它不僅把功率開關器件和驅動電路集成在一起，而且還內藏有過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到CPU或DSP做中斷處理。它由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成，即使發生負載事故或使用不當，也可以使IPM自身不受損壞。
IPM一般使用IGBT作為功率開關元件，內藏電流傳感器及驅動電路的集成結構。小功率器件采用一種多層環氧膠粘合絕緣系統，銅層和環氧樹脂直接在鋁基板上構成屏蔽的印刷線路，功率芯片和柵極驅動電路直接焊在基板上面，不需要另外設置PCB接線端子和陶瓷絕緣材料，因而封裝費用特別低，適合講究低成本和尺寸緊湊的消費類和工業產品上的應用。
IPM的體積小，縮短產品開發時間，簡化開發步驟，可使控制工程師將主要精力用于各種新型控制算法的研究和設計。IPM已被用于無噪聲逆變器，低噪聲UPS系統和伺服控制器等設備上。
IPM結構
IPM由高速、低功率的IGBT芯片和優選的門級驅動及保護電路構成，如圖1所示。其中，IGBT是GTR和MOSFET的復合，由MOSFET驅動GTR，因而IGBT具有兩者的優點
IPM根據內部功率電路配置的不同可分為四類:H型(內部封裝一個IGBT)、D型(內部封裝兩個IGBT)、C型(內部封裝六個IGBT)和R型(內部封裝七個IGBT)。小功率的IPM使用多層環氧絕緣系統，中大功率的IPM使用陶瓷絕緣。
內部功能機制
IPM內置的驅動和保護電路使系統硬件電路簡單、可靠，縮短了系統開發時間，也提高了故障下的自保護能力。與普通的IGBT模塊相比，IPM在系統性能及可靠性方面都有進一步的提高。
保護電路可以實現控制電壓欠壓保護、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柵極驅動單元就會關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，發生欠壓保護，封鎖門極驅動電路，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IPM溫度傳感器測出其基板的溫度超過溫度值時，發生過溫保護，封鎖門極驅動電路，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，則發生過流保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。為避免發生過大的di/dt，大多數IPM采用兩級關斷模式。其中，VG為內部門極驅動電壓，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):若負載發生短路或控制系統故障導致短路，流過IGBT的電流值超過短路動作電流，則立刻發生短路保護，封鎖門極驅動電路，輸出故障信號。跟過流保護一樣，為避免發生過大的di/dt，大多數IPM采用兩級關斷模式。為縮短過流保護的電流檢測和故障動作間的響應時間，IPM內部使用實時電流控制電路(RTC)，使響應時間小于100ns，從而有效抑制了電流和功率峰值，提高了保護效果。
當IPM發生UV、OC、OT、SC中任一故障時，其故障輸出信號持續時間tFO為1．8ms(SC持續時間會長一些)，此時間內IPM會封鎖門極驅動，關斷IPM;故障輸出信號持續時間結束后，IPM內部自動復位，門極驅動通道開放。
可以看出，器件自身產生的故障信號是非保持性的，如果tFO結束后故障源仍舊沒有排除，IPM就會重復自動保護的過程，反復動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動作，因此僅靠IPM內部保護電路還不能完全實現器件的自我保護。要使系統真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。
電路設計
驅動電路是IPM主電路和控制電路之間的接口，良好的驅動電路設計對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要意義。
IGBT的分立驅動電路的設計
IGBT的驅動設計問題亦即MOSFET的驅動設計問題，設計時應注意以下幾點:①IGBT柵極耐壓一般在±20V左右，因此驅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穩壓整流管或者電阻。前者的缺陷是將增加等效輸入電容Cin，從而影響開關速度，后者的缺陷是將減小輸入阻抗，增大驅動電流，使用時應根據需要取舍。②盡管IGBT所需驅動功率很小，但由于MOSFET存在輸入電容Cin，開關過程中需要對電容充放電，因此驅動電路的輸出電流應足夠大，這一點設計者往往忽略。假定開通驅動時，在上升時間tr內線性地對MOSFET輸入電容Cin充電，則驅動電流為Igt=CinUgs/tr，其中可取tr=2。2RCin，R為輸入回路電阻。③為可靠關閉IGBT，防止擎住現象，要給柵極加一負偏壓，因此最好采用雙電源供電。
IGBT集成式驅動電路
IGBT的分立式驅動電路中分立元件多，結構復雜，保護功能比較完善的分立電路就更加復雜，可靠性和性能都比較差，因此實際應用中大多數采用集成式驅動電路。日本富士公司的EXB系列集成電路、法國湯姆森公司的UA4002集成電路等應用都很廣泛。
IPM驅動電路設計
IPM對驅動電路輸出電壓的要求很嚴格，具體為:①驅動電壓范圍為15V±10%?熏電壓低于13．5V將發生欠壓保護，電壓高于16．5V將可能損壞內部部件。②驅動電壓相互隔離，以避免PE線噪聲干擾。③驅動電源絕緣電壓至少是IPM極間反向耐壓值的兩倍(2Vces)。④驅動電流可以參閱器件給出的20kHz驅動電流要求，根據實際的開關頻率加以修正。⑤驅動電路輸出端濾波電容不能太大，這是因為當寄生電容超過100pF時，噪聲干擾將可能誤觸發內部驅動電路。
參考資料 >