1、IGBT-IPM智能模塊的電路設(shè)計及在SVG裝置中的應(yīng)用    摘要：介紹了IGBT-IPM智能模塊的基本情況和功能特點(diǎn)，并對該智能功率模塊的相關(guān)電路設(shè)計方法和需要注意的問題進(jìn)行了深入地分析，最后結(jié)合SVG裝置，詳細(xì)說明了該模塊的應(yīng)用，并給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。 關(guān)鍵詞：IGBT-IPM智能模塊；SVG；DSP 引言 電力系統(tǒng)中大功率電力電子裝置的開關(guān)元件主要是晶閘管和。但是，隨著近年來雙極功率晶體管及功率的問世以及生產(chǎn)技術(shù)的成熟，這些開關(guān)元件憑借自身優(yōu)越的性能逐漸替代了晶閘管和，并朝著節(jié)能、輕便、小型化的方向迅速發(fā)展。?）智能模塊正是其中的代表之一，它將

2、單元、驅(qū)動電路、保護(hù)電路等結(jié)合在一個模塊之中，利用這些優(yōu)越的特性可極大地提高實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性?同時可簡化設(shè)計的難度?縮小裝置的體積。 圖1 智能模塊的主要特點(diǎn) 與過去模塊和驅(qū)動電路的組合電路相比，內(nèi)含驅(qū)動電路且保護(hù)功能齊全，因而可極大地提高應(yīng)用系統(tǒng)整機(jī)的可靠性。本文將要介紹的是富士電機(jī)最新推出的系列智能功率模塊的主要特點(diǎn)和使用情況。它除了具有體積小、可靠性高、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)以外，還具有以下主要功能： 內(nèi)含驅(qū)動電路。該模塊同時具有軟開關(guān)特性，可控制開關(guān)時的和浪涌電壓；用單電源驅(qū)動時，無需反向偏壓電源；并可防止誤導(dǎo)通。關(guān)斷時，柵極低阻抗接地可防止噪音等引起上升而誤導(dǎo)通；模塊中的每個的驅(qū)動電路都

3、設(shè)計了最佳的驅(qū)動條件。 內(nèi)含各種保護(hù)電路。每個都具有過流保護(hù)（）、負(fù)載短路保護(hù)（）、控制電源欠壓保護(hù)（）和過熱保護(hù)（）等功能。 圖2 內(nèi)含報警輸出功能。當(dāng)出現(xiàn)上述保護(hù)動作時，可向控制的微機(jī)系統(tǒng)輸出報警信號。 包含有制動電路。內(nèi)含制動單元的模塊，用此單元可以抑制端子間的電壓升高。 圖為該智能模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖中的前置驅(qū)動部分包括驅(qū)動放大、短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓閉鎖、管心過熱保護(hù)等功能電路。圖中，各個引腳和端子的標(biāo)號列于表。 表1 IGBT-IPM智能模塊的腳及端子標(biāo)號端子標(biāo)號 內(nèi) 容P,N 經(jīng)過整流變換平滑濾波后的主電源Vd的輸入端子。P：+端，N：-端 B 制動輸出端子：再生制動電阻電流的

4、輸出端子。不用時，建議接到P或N上 U，V，W 模塊的3相輸出端子 (1)GND U,(3)Vcc U U相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc U:+端；GNDU：-端 (4)GND V,(6)Vcc V V相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc V:+端；GNDV：-端 (7)GND W,(9)Vcc W W相上臂控制電源Vcc輸入。Vcc W：+端；GNDW：-端 （10）GND，（11）Vcc 下臂公用控制電源Vcc輸入。Vcc：+端；GND：-端 （2）U，（5）V，（8）W 下臂U，V，W相控制信號輸入 （13）X，（14）Y，（15）Z 下臂X，Y，Z相控制信號輸入 （12）DB，（16）A

5、LM DB為下臂相控制信號輸入，ALM為保護(hù)電路動作時的報警信號輸出 智能模塊電路設(shè)計 智能模塊的電路設(shè)計主要分為主電源部分、光耦外圍控制部分、緩沖電路部分及散熱部分。下面分別對這四部分的設(shè)計方法和需要注意的問題進(jìn)行說明。 主電源電路 富士的模塊有很多不同的系列，每一系列的主電源電壓范圍各有不同，在設(shè)計時一定要考慮其應(yīng)用場合的電壓范圍。系列主電源電壓和制動動作電壓都應(yīng)該在以下，系列則要在以下。開關(guān)時的最大浪涌電壓：系列應(yīng)在以下，系列應(yīng)該在以下，根據(jù)上述各值的范圍，使用時應(yīng)使浪涌電壓限定在規(guī)定的值內(nèi)，且應(yīng)在最靠近、端子處安裝緩沖器（如果一個整流電路上接有多個模塊，還需要在、主端子間加浪涌吸收器）

6、。雖然在模塊內(nèi)部已對外部的電壓噪聲采取了相應(yīng)的措施，但是由于噪聲的種類和強(qiáng)度不同，加之也不可能完全避免誤動作或損壞等情況，因此需要對交流進(jìn)線加濾波器，并絕緣接地，同時應(yīng)在每相的輸入信號與地（）間并聯(lián)的吸收電容。 光耦外圍控制部分 與主電源電路不同，外圍控制電路主要針對的是單片機(jī)控制系統(tǒng)的弱電控制部分。由于模塊要直接和配電系統(tǒng)連接，因此，必須利用隔離器件將模塊和控制部分的弱電電路隔離開來，以保護(hù)單片機(jī)控制系統(tǒng)。同時，模塊的工作狀況很大程度上取決于正確、有效、及時的控制信號。所以，設(shè)計一個優(yōu)良的光耦控制電路也是模塊正常工作的關(guān)鍵之一。根據(jù)的驅(qū)動以及逆變電路的要求?，模塊內(nèi)部的控制電源必須是上橋臂組

7、，下橋臂組，總計組獨(dú)立的直流電源。圖是一種推薦的光耦驅(qū)動電路。 圖中給出了幾種典型光耦驅(qū)動電路，其中三極管與光耦并聯(lián)型電路對光耦特別有利。下面是控制輸入的光耦規(guī)格要求： 或 推薦的光耦有： ， （），等。 一般情況下，光耦要符合、等安全認(rèn)證。同時最好使光耦和控制端子間的布線盡量短。由于初級和次級間常加有大的，因此，初、次級布線不要太靠近以減小其間的耦合電容。在使用的直    流電源組件時，建議電源輸出側(cè)的端子不要互聯(lián)，并盡量減少各電源與地間的雜散電容，同時還應(yīng)當(dāng)確保足夠大的絕緣距離（大于）。光耦輸入用的及濾波電容主要是保持控制電壓平穩(wěn)和修正線路阻抗的穩(wěn)定

8、，其它地方的濾波電容也很必要。另外，控制信號輸入端與端應(yīng)接的上拉電阻，在不使用制動單元時，也應(yīng)該在輸入端與端接的上拉電阻，否則，過大可能會引起誤動作。圖為控制信號的輸入電路。其它三組上橋臂控制信號輸入電路與圖相同，但組直流電源應(yīng)分別供電。而下橋臂的組，則共用一個直流電源。 緩沖電路 緩沖電路（阻容吸收電路）主要用于抑制模塊內(nèi)部的單元的過電壓和或者過電流和，同時減小的開關(guān)損耗。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大，所以在模塊內(nèi)部并沒有專門集成該部分電路，因此，在實(shí)際的系統(tǒng)之中一定要有緩沖電路，通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來，電阻可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。如果沒有緩沖電

9、路，器件在開通時電流會迅速上升，也很大，關(guān)斷時，很大，并會出現(xiàn)很高的過電壓，極易造成器件的損壞。因此，緩沖電路不僅在模塊中需要，在系統(tǒng)的整流電路中也同樣需要。圖給出了一個典型的緩沖電路，有關(guān)阻值與電容大小的設(shè)計可根據(jù)具體系統(tǒng)來設(shè)定不同的參數(shù)。 智能模塊在裝置的應(yīng)用 靜止無功發(fā)生器（ ）是靈活交流輸電系統(tǒng)（ -）技術(shù)中的一個重要內(nèi)容，它的主要功能是在系統(tǒng)中起到動態(tài)無功發(fā)生、無功補(bǔ)償、電壓支撐、改善系統(tǒng)穩(wěn)定的作用。目前，改善電壓質(zhì)量的方法是用傳統(tǒng)的（ ）靜態(tài)無功補(bǔ)償裝置來減小電壓波動及電壓不對稱，而用機(jī)械投切電容器或電抗器消除電壓不平衡，用濾波器消除諧波。但是，這些措施的實(shí)現(xiàn)及控制都不太靈活，加之

10、設(shè)備價格比較昂貴、維修困難，因而在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中效果并不是很好。技術(shù)中的裝置以其靈活的動態(tài)調(diào)節(jié)性能克服了這些不足。裝置的核心部分是逆變電路，它將整流后的直流電壓進(jìn)行逆變以產(chǎn)生與系統(tǒng)相應(yīng)的交流電壓，從而產(chǎn)生所需的交流無功功率。利用智能模塊后，逆變電路無論是在體積、性能、穩(wěn)定性還是控制方式上都得到了極大地簡化。 該系統(tǒng)共分為個主要部分：第一部分是由-模塊構(gòu)成的逆變電路，第二部分是由電力二極管構(gòu)成的全波整流電路，第三部分是由微機(jī)構(gòu)成的檢測控制系統(tǒng)。整流電路采用日本富士公司的三相全波整流模塊，該模塊的主要作用是將三相線路上的交流電壓變?yōu)橹绷鬏敵觯瑥亩S持直流電容兩端的電壓穩(wěn)定，同時也為逆變電路提供一個

11、直流電壓。 微機(jī)控制系統(tǒng)是由以高速數(shù)字信號處理芯片為核心的控制系統(tǒng)組成，它具有極高的處理速度和專門的路波發(fā)生控制引腳，從圖可以看出，控制系統(tǒng)除了完成向發(fā)出控制信號以外，還可完成三相電流和電壓的檢測、人機(jī)交換等功能。電流檢測可利用型電流傳感器來完成，電壓檢測則利用電壓傳感器來完成。鍵盤管理部分選用接口芯片來管理鍵的鍵盤輸入。輸出顯示部分則選用以為驅(qū)動芯片的液晶顯示模塊（）。該模塊的顯示屏幕一次最多可顯示個×的點(diǎn)陣漢字，圖中只畫出了相應(yīng)的方框圖。上述功能均可通過對數(shù)字信號處理芯片的軟件編程來實(shí)現(xiàn)。其程序流程圖見圖所示。 值得注意的是：本裝置中采用的是單橋路控制電路，所以只用到了一個智能模塊，它一共有個控制點(diǎn)。如果采用多重化結(jié)構(gòu)并使用多個模塊相串聯(lián)或并聯(lián)工作，那么將會得到更多的控制點(diǎn)，當(dāng)然，輸出的波形、容量、電壓都將會更好。實(shí)際上，在系統(tǒng)中，除了逆變模塊以外，還有很多其它的重要組件，因此，要想讓系統(tǒng)中的智能模塊正常、高效、安全地工作，還需要裝置其余各部件都協(xié)調(diào)運(yùn)作，才能夠達(dá)到預(yù)期的控制