可編程隔離式智能功率模塊

　　用以驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻（Switched Reluctance）、無(wú)刷式直流和交流電感電機(jī)的功率模塊設(shè)計(jì)并不簡(jiǎn)單，特別是在千瓦（kW）級(jí)的功率水平。此類(lèi)模塊必須具備一定的智能和靈活性，才能加以配置以驅(qū)動(dòng)這些流行的電機(jī)類(lèi)型。通過(guò)利用此類(lèi)硬件模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以集中精力開(kāi)發(fā)用于管理電機(jī)特性的控制方法和軟件，從而可加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。國(guó)際整流器公司(IR)的iNTERO PI-IPM（可編程隔離式智能功率模塊）系列提供了這樣的能力，可以簡(jiǎn)單直接地驅(qū)動(dòng)高達(dá)15 kW的電機(jī)。該系列模塊產(chǎn)品利用很少的硬件設(shè)計(jì)投資，推動(dòng)了業(yè)界驅(qū)動(dòng)變速電機(jī)這一新趨勢(shì)，同時(shí)也使得現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路的性能升級(jí)更為容易。

　　iNTERO模塊本身已配備了一個(gè)高性能伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電流環(huán)路所需要的所有功能。該模塊包括了控制一個(gè)基于IGBT的逆變器的所有外圍電路，包括電壓、溫度和電流輸出檢測(cè)（圖1示出了iNTERO系列）。

1. iNTERO 系列框圖

　　該模塊由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：功率輸出模塊（EMP）和嵌入式控制/邏輯控制板（EDB）。EMP和EDB之間的連接是通過(guò)EDB上的一個(gè)連接器和EMP上配套的連接引腳。這樣就可以簡(jiǎn)單地嵌入一個(gè)不同的EDB板進(jìn)行升級(jí)。圖2a示出了EMP模塊的框圖。圖2b示出了EDB控制板的框圖。

2a. EMP 模塊框圖

2.b EDB控制板框圖

EMP 模塊： EMP50P12B/EMP25P12B

　　EMP模塊包括以標(biāo)準(zhǔn)逆變器方式配置的六個(gè)IGBT 和HEXFRED二極管。其中IGBT采用的是IR公司的新一代V型NPT（無(wú)穿通）1200V-50A型號(hào)（額定電流在100℃下測(cè)定）。HEXFRED二極管是針對(duì)這些IGBT的配對(duì)使用而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。新一代IGBT在完全關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵極電壓，而拖尾效應(yīng)也比其它IGBT大大減輕。圖3示出了“拖尾效應(yīng)”。這簡(jiǎn)化了柵極驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。EMP模塊還包括了一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的溫度傳感器

　　以提供過(guò)熱保護(hù)。圖4示出了EMP模塊。

3. “拖尾效應(yīng)”圖

4. EMP模塊

　　電流傳感接口、過(guò)流保護(hù)和信號(hào)調(diào)節(jié)對(duì)于正常的系統(tǒng)運(yùn)行都非常關(guān)鍵。電流檢測(cè)性能直接影響伺服應(yīng)用中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能。電流檢測(cè)錯(cuò)誤、測(cè)量鏈延遲或者系統(tǒng)總精度太低，如參考基準(zhǔn)不準(zhǔn)確或者A/D轉(zhuǎn)換的倍數(shù)不夠，都會(huì)不可避免地導(dǎo)致電機(jī)在低速運(yùn)行或者在軸制動(dòng)的情況下出現(xiàn)不正常的抖動(dòng)和不自然的電機(jī)噪聲。

　　iNTERO PI-IPM (PIIPM 50P12B004/PIIPM25P12B008)采用的檢測(cè)電阻測(cè)量技術(shù)比其它方法占用的面積少、成本也低一些。同時(shí)在功率模塊中還嵌入了分流元件，并且提供了所有開(kāi)爾文（Kelvin）連接點(diǎn)。

　　EMP板中的電流檢測(cè)電阻分布在三個(gè)輸出相中，可對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行精確檢測(cè)并可用于短路保護(hù)。每個(gè)檢測(cè)電阻的頭直接鍵合在一個(gè)外部引腳上，從而降低寄生效應(yīng)并獲得高精度反饋電壓。由于導(dǎo)熱系數(shù)非常低，因此在整個(gè)工作溫度范圍不需要補(bǔ)償。同時(shí)在負(fù)直流總線(xiàn)線(xiàn)路上還有另一個(gè)同樣阻值的電阻提供設(shè)備保護(hù)。電流檢測(cè)信號(hào)送到EDB板，由DSP進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)和處理。

　　該模塊的封裝與流行的EconoPack外形機(jī)械上兼容。而且，放于其上的外部PC板的柱形塑料螺母的高度與EconoPack2一樣。因此，該模塊可裝配到標(biāo)準(zhǔn)EconoPack-2封裝同樣的機(jī)械位置，從而更容易地替換現(xiàn)有模塊。

　　這一新器件的一個(gè)重要特點(diǎn)是提供了控制板和模塊間所有反饋和命令信號(hào)的開(kāi)爾文（Kelvin）連接，而且所有發(fā)射極和電阻檢測(cè)都獨(dú)立于主功率通路。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是所有來(lái)往控制板的低功率信號(hào)都不受模塊功率布局中常見(jiàn)的寄生電感或電阻的影響。

　　模塊封裝示于圖5。其中EDB控制板已安裝在EMP模塊之上。由于在輸入處形成大電流尖峰脈沖，因此直流總線(xiàn)功率引腳是其它功率引腳的兩倍大小。

5. EDB控制板安裝在EMP模塊之上

　　模塊封裝采用了著名的標(biāo)準(zhǔn)DBC（直接銅鍵合）技術(shù)。在厚銅基座上有一個(gè)氧化鋁（Al2O3）襯底，兩側(cè)各有300µm 銅墊片，IGBT和二極管管芯通過(guò)絲網(wǎng)印刷工藝直接焊接在DBC上面。然后在這些管芯上鍵接15mil的鋁線(xiàn)（1mil=25.4µm）用于功率連接。然后利用硅膠密封所有器件，以提供機(jī)械保護(hù)和電隔離。

EDB驅(qū)動(dòng)控制板

　　EDB驅(qū)動(dòng)控制板是整個(gè)器件智能的核心，它提供了所有控制和驅(qū)動(dòng)功能。同時(shí)，EDB板還很自然地代替了模塊的上蓋。因此它同時(shí)起到機(jī)械密封和智能接口兩個(gè)功能。電源輸入（Vin）是EDB板上所有電子器件需要的唯一外部電源連接。

　　EDB控制板包含一個(gè)德州儀器公司的40 MIPS DSP - TMS320LF2406A，負(fù)責(zé)提供接口功能和A/D轉(zhuǎn)換功能。與以前的DSP相比，TMS320LF2406A速度更快，I/O引腳更多，同時(shí)還有啟動(dòng)ROM、CAN接口和更快速的A/D轉(zhuǎn)換器。它可連接所有需要的外圍器件，

　　準(zhǔn)確地管理整個(gè)模塊器件功率部分所需要的所有模擬反饋和控制信號(hào)。同時(shí)還具有一個(gè)隔離的增量編碼器或同步串行端口通訊部分，從而使其成為一個(gè)完整的用戶(hù)可編程的解決方案。在DSP中已安裝了基本的開(kāi)環(huán)軟件，同時(shí)串行接口允許設(shè)計(jì)人員方便地開(kāi)發(fā)和下載專(zhuān)用算法。

　　做為IR公司混合信號(hào)芯片組方法的一部分，在EDB中有三種不同的串行接口：SCI、SPI和CAN總線(xiàn)。串行通訊是通過(guò)異步端口實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器占用了其它三個(gè)光電隔離輸入線(xiàn)，其輸入直接送到首三個(gè)輸入捕捉端口。異步串行端口（SCI）的最大位速率為2.5 Mbps，而SPI（同步）速率則可達(dá)到 10 Mbps。為了容易地實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)串行端口的接口，可以選擇SCI，唯一需要的器件是一個(gè)線(xiàn)路驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)將RS232電平和本應(yīng)用中使用的RS485 3.3V電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

　　電流檢測(cè)處理已包含在EDB控制板中，由電流檢測(cè)放大器、電平移動(dòng)電路和一個(gè)濾波器組成，濾波器的輸出會(huì)送到DSP的A/D轉(zhuǎn)換器。

　　EDB包括一個(gè)反饋式電源，提供三個(gè)相互之間最小有1.5kV隔離的15V輸出，以及一個(gè)5V和3.3V輸出。5V輸出為所有低電壓電子元件供電，而3.3V線(xiàn)性穩(wěn)壓輸出則為DSP和連接到DSP的一些模擬和邏輯元件供電。反饋式電源具有內(nèi)置的欠壓保護(hù)功能，以防止所有電路在電壓過(guò)低時(shí)工作（建議最小電源電壓為12V）。Vin是EDB中所有電子元器件需要的唯一外部電源。

　　在EDB中有三個(gè)采用小型16W封裝的IR2213柵極驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)可提供最大2A的吸入電流和2A的柵極驅(qū)動(dòng)能力。EMP子系統(tǒng)中使用的IGBT在完全關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵極電壓。

　　直流總線(xiàn)和輸入電壓反饋電路連續(xù)檢測(cè)兩個(gè)電源線(xiàn)上的電壓：Vin和直流總線(xiàn)。低端柵極驅(qū)動(dòng)器直接由Vin電源線(xiàn)供電，除了其本身的欠壓保護(hù)（通常設(shè)在8.5V）外，沒(méi)有其它控制針對(duì)這一電壓。如果這電壓水平不能驅(qū)動(dòng)IGBT柵極，可以檢測(cè)DSP輸入電壓，并迫使系統(tǒng)僅在Vin介于10V和18V時(shí)才工作，這也提供了過(guò)壓控制。

　　為保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，直流總線(xiàn)電壓必須不停在控制之下。一個(gè)電阻分壓器提供了2.44mV/V的分壓系數(shù)，覆蓋的最大可測(cè)電壓范圍約為1100V。為避免分壓電壓上的尖峰造成錯(cuò)誤檢測(cè)，在分壓器和電壓跟隨器/緩沖器之間有一個(gè)1 kHz的低通濾波器，其輸出連接到A/D轉(zhuǎn)換器的其中一個(gè)輸入。