智能功率模塊在VVVF變頻器設(shè)計(jì)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(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成,。由于采用了能連續(xù)監(jiān)測(cè)功率器件電流的,，有電流傳感功能的IGBT芯片，從而實(shí)現(xiàn)高速的過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù),。IPM集成了過(guò)熱和欠壓鎖定保護(hù)電路,，系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)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(diǎn)出發(fā),，討論了在設(shè)計(jì)VVVF變頻器時(shí),，IPM的選用問(wèn)題。

二,、智能化晶體管模塊

日本三菱電機(jī)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(jì)的。

圖1　三菱IPM的封裝

IPM有精良的內(nèi)置保護(hù)電路以避免因系統(tǒng)失靈或過(guò)應(yīng)力而使功率器件損壞,，所設(shè)置的故障檢測(cè)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(hù)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(hù)功能框圖

如果IPM模塊其中一種保護(hù)電路動(dòng)作,，IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷電流,，并輸出一個(gè)故障信號(hào)（FO）。

IPM的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1,、由于IPM集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，使用戶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)變得相當(dāng)容易，縮短了產(chǎn)品上市的時(shí)間。

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

3,、由于IPM通態(tài)損耗和開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)充時(shí)無(wú)須另行設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路,。

5,、IPM在故障情況下的自保護(hù)能力，減低了器件在開(kāi)發(fā)和使用中過(guò)載情況下的損壞機(jī)會(huì),。

三,、IPM的選用

IPM在選用時(shí)，首先是根據(jù)變頻裝置的容量（電動(dòng)機(jī)的額定功率）,，同時(shí)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(hào),。選型時(shí),，有兩個(gè)主要方面需要權(quán)衡。根據(jù)IPM的過(guò)流動(dòng)作數(shù)值以確定峰值電流及適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)以保證結(jié)溫峰值永遠(yuǎn)小于最大結(jié)溫額定值，使基板的溫度永遠(yuǎn)低于過(guò)熱動(dòng)作數(shù)值,。

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

式中：P＝電機(jī)功率（W）,；O_L＝變頻器最大過(guò)載系數(shù)；λ＝電流脈動(dòng)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(jī)額定值對(duì)OC保護(hù)設(shè)置的要求表

例如：電源V_AC＝220V交流,，電機(jī)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(hào)PM50RSA060規(guī)定的最小OC動(dòng)作數(shù)值是65A,，所以這個(gè)型號(hào)能夠滿足第一個(gè)要求,，選定后，還需通過(guò)適當(dāng)?shù)臒嵩O(shè)計(jì)來(lái)滿足其熱要求,。在具體的應(yīng)用中，應(yīng)針對(duì)器件手冊(cè)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(jī)械特性）以及推薦的工作條件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

四,、結(jié)論

IPM集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路,，給用戶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大的便利，VVVF變頻器是其典型的應(yīng)用場(chǎng)合,。在選用IPM時(shí),，要根據(jù)IPM過(guò)流動(dòng)作數(shù)值來(lái)確定其峰值電流。