可編程隔離式智能功率模塊

　　用以驅(qū)動開關(guān)磁阻（Switched Reluctance）、無刷式直流和交流電感電機(jī)的功率模塊設(shè)計(jì)并不簡單，特別是在千瓦（kW）級的功率水平。此類模塊必須具備一定的智能和靈活性，才能加以配置以驅(qū)動這些流行的電機(jī)類型。通過利用此類硬件模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以集中精力開發(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，可以簡單直接地驅(qū)動高達(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，推動了業(yè)界驅(qū)動變速電機(jī)這一新趨勢，同時(shí)也使得現(xiàn)有驅(qū)動電路的性能升級更為容易。

　　iNTERO模塊本身已配備了一個高性能伺服電機(jī)驅(qū)動的電流環(huán)路所需要的所有功能。該模塊包括了控制一個基于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（圖1示出了iNTERO系列）。

1. iNTERO 系列框圖

　　該模塊由兩個子系統(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EDB上的一個連接器和EMP上配套的連接引腳。這樣就可以簡單地嵌入一個不同的EDB板進(jìn)行升級。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IGBT 和HEXFRED二極管。其中IGBT采用的是IR公司的新一代V型NPT（無穿通）1200V-50A型號（額定電流在100℃下測定）。HEXFRED二極管是針對這些IGBT的配對使用而專門設(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)”。這簡化了柵極驅(qū)動的設(shè)計(jì)。EMP模塊還包括了一個具有負(fù)溫度系數(shù)的溫度傳感器

　　以提供過熱保護(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、過流保護(hù)和信號調(diào)節(jié)對于正常的系統(tǒng)運(yùn)行都非常關(guān)鍵。電流檢測性能直接影響伺服應(yīng)用中的電機(jī)驅(qū)動性能。電流檢測錯誤、測量鏈延遲或者系統(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，都會不可避免地導(dǎo)致電機(jī)在低速運(yùn)行或者在軸制動的情況下出現(xiàn)不正常的抖動和不自然的電機(jī)噪聲。

　　iNTERO PI-IPM (PIIPM 50P12B004/PIIPM25P12B008)采用的檢測電阻測量技術(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，并且提供了所有開爾文（Kelvin）連接點(diǎn)。

　　EMP板中的電流檢測電阻分布在三個輸出相中，可對電機(jī)電流進(jìn)行精確檢測并可用于短路保護(hù)。每個檢測電阻的頭直接鍵合在一個外部引腳上，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，因此在整個工作溫度范圍不需要補(bǔ)償。同時(shí)在負(fù)直流總線線路上還有另一個同樣阻值的電阻提供設(shè)備保護(hù)。電流檢測信號送到EDB板，由DSP進(jìn)行信號調(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的開爾文（Kelvin）連接，而且所有發(fā)射極和電阻檢測都獨(dú)立于主功率通路。另一個優(yōu)點(diǎn)是所有來往控制板的低功率信號都不受模塊功率布局中常見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氧化鋁（Al2O3）襯底，兩側(cè)各有300µm 銅墊片，IGBT和二極管管芯通過絲網(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（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)動控制板

　　EDB驅(qū)動控制板是整個器件智能的核心，它提供了所有控制和驅(qū)動功能。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)確地管理整個模塊器件功率部分所需要的所有模擬反饋和控制信號。同時(shí)還具有一個隔離的增量編碼器或同步串行端口通訊部分，從而使其成為一個完整的用戶可編程的解決方案。在DSP中已安裝了基本的開環(huán)軟件，同時(shí)串行接口允許設(shè)計(jì)人員方便地開發(fā)和下載專用算法。

　　做為IR公司混合信號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。串行通訊是通過異步端口實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)霍爾效應(yīng)（Hall Effect）傳感器占用了其它三個光電隔離輸入線，其輸入直接送到首三個輸入捕捉端口。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線路驅(qū)動器，用來將RS232電平和本應(yīng)用中使用的RS485 3.3V電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

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

　　EDB包括一個反饋式電源，提供三個相互之間最小有1.5kV隔離的15V輸出，以及一個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中有三個采用小型16W封裝的IR2213柵極驅(qū)動器，每個可提供最大2A的吸入電流和2A的柵極驅(qū)動能力。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。

　　直流總線和輸入電壓反饋電路連續(xù)檢測兩個電源線上的電壓：Vin和直流總線。低端柵極驅(qū)動器直接由Vin電源線供電，除了其本身的欠壓保護(hù)（通常設(shè)在8.5V）外，沒有其它控制針對這一電壓。如果這電壓水平不能驅(qū)動IGBT柵極，可以檢測DSP輸入電壓，并迫使系統(tǒng)僅在Vin介于10V和18V時(shí)才工作，這也提供了過壓控制。

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