智能功率模塊在VVVF變頻器設(shè)計中的選用

一、前言

智能功率模塊（IPM）是*的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及保護電路構(gòu)成。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的，有電流傳感功能的IGBT芯片，從而實現(xiàn)高速的過流保護和短路保護。IPM集成了過熱和欠壓鎖定保護電路，系統(tǒng)的可靠性得到進一步提高。

VVVF（可變壓可變頻）變頻器是IPM主要的應(yīng)用。本文從IPM的特點出發(fā)，討論了在設(shè)計VVVF變頻器時，IPM的選用問題。

二、智能化晶體管模塊

日本三菱電機公司的IPM有四種電路形式，單管封裝（H）、雙管封裝（D）、六合一封裝（C）、七合一封裝（R），如圖1所示。其中C型和R型是專為變頻器使用設(shè)計的。

圖1　三菱IPM的封裝

IPM有精良的內(nèi)置保護電路以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞，所設(shè)置的故障檢測和速斷裝置允許在不犧牲可靠性的條件下，最大限度地利用功率元件的容量。內(nèi)置保護功能的框圖如圖2所示：

注：V₁、I、FO、C為控制端子：C、E為主端子

圖2　IPM的保護功能框圖

如果IPM模塊其中一種保護電路動作，IGBT柵極驅(qū)動單元就會關(guān)斷電流，并輸出一個故障信號（FO）。

IPM的主要優(yōu)點在于：

1、由于IPM集成了驅(qū)動和保護電路，使用戶產(chǎn)品的設(shè)計變得相當容易，縮短了產(chǎn)品上市的時間。

2、自動化的IPM組裝和測試手段提高了系統(tǒng)的可靠性，其他還包括減少所需采購、存儲和組裝的元件數(shù)等優(yōu)點。

3、由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使得散熱器減少，因而系統(tǒng)尺寸也減少。

4、所有的IPM都采用同樣的標準化與邏輯電平控制電路相聯(lián)的柵控接口，在產(chǎn)品系列擴充時無須另行設(shè)計驅(qū)動電路。

5、IPM在故障情況下的自保護能力，減低了器件在開發(fā)和使用中過載情況下的損壞機會。

三、IPM的選用

IPM在選用時，首先是根據(jù)變頻裝置的容量（電動機的額定功率），同時也要考慮供電電源容量，確定其額定值和最大值，然后選擇具體型號。選型時，有兩個主要方面需要權(quán)衡。根據(jù)IPM的過流動作數(shù)值以確定峰值電流及適當?shù)臒嵩O(shè)計以保證結(jié)溫峰值永遠小于最大結(jié)溫額定值，使基板的溫度永遠低于過熱動作數(shù)值。

峰值電流依電機的功率額定值而定。下表是根據(jù)OC動作數(shù)值和電機峰值電流而給出的交流220V電機推薦使用的IPM類型。電機峰值電流是基于變頻器和電機工作的效率、功率因數(shù)、最大負載和電流脈動而設(shè)定的。電機電流最大峰值可由下式計算：

式中：P＝電機功率（W）；O_L＝變頻器最大過載系數(shù)；λ＝電流脈動因數(shù)；η＝變頻器的效率；φ_F＝功率因數(shù)；V_AC＝交流線電壓（V）。

交流220V電機額定值對OC保護設(shè)置的要求表

例如：電源V_AC＝220V交流，電機P＝3.7kW,O_L＝150%,λ＝120%,η＝0.9,φ_F＝0.76,則Ic（峰值）＝36.1A。

依據(jù)上表的推薦型號PM50RSA060規(guī)定的最小OC動作數(shù)值是65A，所以這個型號能夠滿足第一個要求，選定后，還需通過適當?shù)臒嵩O(shè)計來滿足其熱要求。在具體的應(yīng)用中，應(yīng)針對器件手冊中給定的參數(shù)如：最大額定值，特性參數(shù)（電氣特性，熱特性，機械特性）以及推薦的工作條件進行系統(tǒng)設(shè)計。

四、結(jié)論

IPM集成了驅(qū)動和保護電路，給用戶產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)帶來了很大的便利，VVVF變頻器是其典型的應(yīng)用場合。在選用IPM時，要根據(jù)IPM過流動作數(shù)值來確定其峰值電流。