DIPIPM的典型應(yīng)用電路

講座導(dǎo)語

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

3.3 DIPIPM應(yīng)用電路

通過前幾期的技術(shù)講座，我們了解了DIPIPM基本結(jié)構(gòu)?內(nèi)置功能?如何選型?如何功耗仿真等。從本節(jié)開始介紹DIPIPM的典型應(yīng)用接口電路以及PCB設(shè)計(jì)。從應(yīng)用的角度來看，DIPIPM的優(yōu)勢在于擁有更少的外圍器件?設(shè)計(jì)上手快；DIPIPM從600V/2A~75A到1200V/5A~75A在內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)和外圍接口電路的設(shè)計(jì)上都是基本一致的，只要使用過其中任意一款DIPIPM，就可以非常容易拓展到不同功率等級(jí)的產(chǎn)品線，系列擴(kuò)展簡單?節(jié)省研發(fā)資源。

3.3.1

DIPIPM典型應(yīng)用電路

工程師們?cè)跒樽约旱墓β首儞Q裝置選定了主要功率器件DIPIPM之后，下一步要進(jìn)行的工作是進(jìn)行DIPIPM相關(guān)電路設(shè)計(jì)。DIPIPM電路設(shè)計(jì)是功率變換裝置的基礎(chǔ)，既決定了功率部分的系統(tǒng)性能，同時(shí)也是整個(gè)功率變換裝置可靠性的基礎(chǔ)。對(duì)于DIPIPM來說，由于其內(nèi)置了用于驅(qū)動(dòng)的HVIC?LVIC和短路保護(hù)等諸多功能，因而其電路設(shè)計(jì)相較采用分立器件的功率變換裝置會(huì)更簡單，設(shè)計(jì)周期更短，隨著功率變換裝置對(duì)可靠性?成本要求越來越高，如何設(shè)計(jì)出簡單可靠的DIPIPM相關(guān)電路，仍然是需要認(rèn)真思考的課題。

下面我們以DIPIPM應(yīng)用于變頻空調(diào)為例，從整體到部分來介紹DIPIPM的典型應(yīng)用電路。

對(duì)于變頻空調(diào)來說，DIPIPM可以應(yīng)用于空調(diào)室外機(jī)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)和風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可應(yīng)用于室內(nèi)機(jī)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其在變頻空調(diào)的應(yīng)用見下圖1所示。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)示意圖

對(duì)于DIPIPM電路來說，不管是驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)還是驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，其電路基本類似，但由于軟件采集電流的方式不同，可能存在設(shè)計(jì)DIPIPM短路保護(hù)時(shí)存在單電阻采樣或兩電阻采樣的區(qū)別。變頻空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)是整個(gè)變頻空調(diào)功率部分的核心，通常包括整流電路?PFC（功率因數(shù)校正）電路 ?逆變電路三個(gè)主要部分，其系統(tǒng)框圖如下圖2所示。

圖2 空調(diào)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)框圖

三個(gè)部分一般會(huì)設(shè)計(jì)在同一PCB板上，三部分在工作時(shí)可能存在相互干擾的問題，DIPIPM作為逆變部分的核心功率器件，其電路設(shè)計(jì)也需要同時(shí)兼顧整流電路?PFC（功率因數(shù)校正）電路部分，這直接影響到整個(gè)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和EMC（電磁兼容）性能。

下圖3是以SLIMDIP為例的DIPIPM典型驅(qū)動(dòng)電路。

圖3 典型接口電路（不帶光耦）

通常對(duì)于諸如變頻空調(diào)等家電應(yīng)用來說電路中的MCU（微處理器）控制信號(hào)輸出端口與DIPIPM的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)輸入端口直接連接。這極大簡化了驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，但對(duì)于工業(yè)應(yīng)用或?qū)煽啃砸蟾叩纳逃每照{(diào)應(yīng)用，也可以采用光耦對(duì)MCU和DIPIPM進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離，以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。采用光耦隔離的DIPIPM典型驅(qū)動(dòng)電路如下圖4所示。

圖4 典型大型DIPIPM接口電路（帶光耦）

DIPIPM接口電路按功能區(qū)分主要分為以下幾個(gè)部分：15V電源、自舉電路、控制邏輯輸入信號(hào)（輸入PWM信號(hào)）、VOT（溫度輸出）功能、電流檢測和短路保護(hù)電路。我們將在下面的章節(jié)中對(duì)這幾部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.3.2

15V電源、欠壓保護(hù)電路以及自舉電路

1DIPIPM對(duì)15V電源的總體要求

電源是DIPIPM工作的基礎(chǔ)，DIPIPM對(duì)15V電源指標(biāo)要求如下：

控制電源電壓的推薦范圍：13.5V~16.5V

自舉電源電壓的推薦范圍：13V~18.5V

對(duì)紋波噪音的要求：dv/dt≤±1V/μs，Vripple≤ 2Vp-p

為了滿足以上15V電源指標(biāo)的要求，建議采用下圖5所示的15V電源接口電路和圖6所示的上橋臂自舉電源電路。

圖5 DIPIPM15V電源接口電路

圖6 三路自舉電路的其中一路

15V電源過低會(huì)導(dǎo)致DIPIPM工作時(shí)損耗增大，因而DIPIPM內(nèi)部設(shè)計(jì)了欠壓保護(hù)功能，但是故障信號(hào)（Fo）僅對(duì)N側(cè)的欠壓保護(hù)才有輸出，對(duì)于P側(cè)的欠壓，會(huì)關(guān)閉對(duì)應(yīng)的IGBT輸出，但不會(huì)輸出故障信號(hào)（Fo）。另外欠壓保護(hù)電路內(nèi)置了一個(gè)噪聲濾波器（典型值10μs）以防止瞬間欠壓導(dǎo)致的誤觸發(fā)。因此在發(fā)生欠壓后的最初10μs內(nèi)控制信號(hào)依然有效。下表1給出了DIPIPM的運(yùn)行狀態(tài)和控制電源之間的關(guān)系。良好的15V電源設(shè)計(jì)必須保證在任何工作條件下DIPIPM的15V處于推薦的工作范圍內(nèi)。

表1 DIPIPM的運(yùn)行狀態(tài) vs. 控制電源電壓

2自舉電容器電容值的估算方法和選型

對(duì)DIPIPM而言，其上橋臂不需要單獨(dú)供電的獨(dú)立15V電源，而是采用了自舉方式供電，自舉供電方式下，需要估算電路中自舉電容的容值，通常推薦VDB（上橋臂自舉電源電壓）的紋波電壓范圍在2Vp-p以內(nèi)。在選取自舉電容值時(shí)，要綜合考慮到使用條件、電容耐受性、電容的溫度特性、直流偏壓和壽命等相關(guān)因素。運(yùn)行過程中，自舉電容電壓的最小值應(yīng)高于上橋控制電源電壓VDB的最小推薦值13V。一般條件下，可以按照ΔVDB ≦1V計(jì)算的電容典型值的2-3倍選取電容，使紋波電壓更接近理想值。

計(jì)算公式如下：

自舉電容: C= IDB×T1／ΔVDB

（T1: 上橋IGBT最大導(dǎo)通時(shí)間）

注意：SPWM/DC120度/DC180度等不同控制方式的自舉電容的大小不盡相同。自舉電容主要采用電解電容器。近年來，大容量的陶瓷電容器也開始被采用。但應(yīng)用于直流電壓時(shí)，電解電容器的直流偏壓特性與陶瓷電容器大不相同(特別是大容值產(chǎn)品)。在應(yīng)用于直流 15V 電壓時(shí)，有些陶瓷電容器的容量會(huì)在額定值的基礎(chǔ)上下降 30％。電解電容器和陶瓷電容器的主要特點(diǎn)對(duì)比如下表2所列。

表2 電解電容器和陶瓷電容器的性能對(duì)比

電解電容器的直流偏壓特性對(duì)電容量的影響不大，但應(yīng)注意由于重復(fù)充放電引起的紋波電流和外界溫度對(duì)電容壽命的影響。以上數(shù)據(jù)均來自網(wǎng)站公開數(shù)據(jù)，要了解更詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息可以垂詢電容器制造商。

3自舉充電原理及方式

自舉電路由一個(gè)自舉二極管?一個(gè)自舉電容和一個(gè)限流電阻組成。如圖7紅色標(biāo)記所示，其使用自舉電容作為驅(qū)動(dòng)P側(cè)IGBT（或MOSFET）的控制電源。自舉電容提供P側(cè)器件開通時(shí)柵極充電所需電荷，并提供P側(cè)驅(qū)動(dòng)IC中邏輯電路消耗的電流。由于采用自舉電容代替隔離電源，它的供電能力是受到限制的。所以這個(gè)利用自舉電路實(shí)現(xiàn)的浮動(dòng)電源只適用于像DIPIPM這樣對(duì)電源電流要求較小的器件。

逆變過程中當(dāng)輸出端（U/V/W）電位被拉低到GND附近時(shí)，N側(cè)15V的控制電源會(huì)通過限流電阻和自舉二極管對(duì)自舉電容充電。

圖7 自舉電路電路圖和初始化充電路徑

圖8 單脈沖初始充電時(shí)序

自舉電容充電有兩種方式，一種是通過單個(gè)長脈沖實(shí)現(xiàn)，另一種是通過多個(gè)短脈沖實(shí)現(xiàn)。如下圖9所示。多脈沖方式適用于有控制電源容量、自舉二極管正向電流尖峰、限流電阻額定功率等條件限制的情況下。

圖9 自舉充電時(shí)序

初始化充電需要持續(xù)到自舉電容電壓超過推薦的最小電源電壓13V。（考慮到從充電結(jié)束到逆變器工作之間的電壓下降，建議初始化充電的電壓值越高越好。）

自舉電容充電后，系統(tǒng)運(yùn)作前，建議在P側(cè)輸入端輸入一個(gè)開通脈沖，以復(fù)位內(nèi)部IC。脈寬不能小于允許的最小輸入脈寬PWIN(on)。（例如SLIMDIP的最小輸入脈寬不能小于0.7μs，具體請(qǐng)參考相應(yīng)的規(guī)格書。）

415V電源和自舉電路齊納二極管的選擇

由圖10實(shí)驗(yàn)可知， 在每對(duì)驅(qū)動(dòng)電源端子間加入一個(gè)齊納二極管(24V/1W)，對(duì)于防止控制IC因浪涌而損壞是非常有效的。

圖10 控制電源齊納二極管測試

主要術(shù)語說明

1:DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；

2trade_mark:、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅