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智慧型功率模組光隔離介面電路在電源轉換中的應用

上網時間: 2009年06月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:功率模組  IPM  IGBT 

智慧型或整合型功率模組(IPM)是一種將功率絕緣閘雙極電晶體(IGBT)與閘極驅動電路整合在單一精簡封裝中的元件,大部分的IPM產品同時也整合有如溫度過高偵測以及過電流檢測等功能,以便提供給微控制器錯誤訊號的回授。

圖1為三相式交換式電源轉換應用,典型的IPM整合七個閘極驅動器,其中包括用來推動高電壓與低電壓端三相電源切換的六個IGBT,以及做為煞車功能的另一個IGBT,以避免在直流電壓過高或過低時發生相位問題,每個閘極驅動器都需要一個10V到30V的電源,低電壓端IGBT的射極連接到直流匯流排(HV-)做為共同參考接地,以便讓所有低電壓端的閘極驅動器可以共用電源VCC_L-GND1。

圖1:馬達驅動電路中用來介接IPM的光耦合器。
圖1:馬達驅動電路中用來介接IPM的光耦合器。

在傳統的IPM電路中,高電壓端IGBT的射極與低電壓端IGBT的集極相連形成三相切換電路的其中一個接腳,透過將高電壓端與低電壓端IGBT依序導通與關斷,高電壓端的直流匯流排電壓可以進行切換並供電給U、V與W相位上的負載,其中每個相位向量間隔為120°。由於接地連接到低電壓端IGBT的集極,造成每個高電壓端閘極驅動電路的接地會在HV-與HV+之間變化,因此高電壓端IGBT閘極驅動電路電源的接地必須浮動且各自獨立。

一個較為穩固的解決方案是提供三個獨立的隔離電源,分別供電給高電壓端的閘極驅動電路,另一個較低成本的做法則是使用具有獨立浮動接地的靴帶式(bootstrap)電源,靴帶式電源可以由直流匯流排電壓或低電壓端電源VCC_L取得,對傳統的IPM來說,輸入邏輯與閘極驅動電路會被整合到單一混成晶片上,同時電源電壓大約由15V到20V。

IPM電源轉換的設計考量和小訊號或低電壓數位電路設計有相當顯著的不同,原因是IPM切換電源轉換需要高電壓絕緣以及共模瞬間變化的抑制能力。

安全絕緣

高電壓變頻器或電源必須有符合如IEC 60950資訊設備或IEC 60335家用設備等設備安全標準規範,光耦合器可以用來做為微控制器與IPM之間的介面,讓微控制器可以與IPM中的高電壓電路隔離。

在是否符合這些安全標準的測試中,通常會在受測設備的低電壓與高電壓介面間加上一個高電壓,大部分常見的光耦合器可以提供低到高電壓邊界的隔離以符合安全絕緣要求,有關光耦合器的常見半導體零組件電氣安全標準包括有IEC 60747-5-2以及UL1577,我們可以依設備的安全要求等級來選擇適當的光耦合器產品。

設備安全隔離要求關係到光耦合器選擇時的部份主要參數,包括工作電壓、安裝環境以及絕緣等級,在採用交流電供電的工業、家庭、辦公室以及資訊設備上,安全標準通常會要求加強型絕緣等級,除了絕緣電壓大小外,部份設備安全標準還會規範基本的絕緣參數,包括外部爬電距離與電氣間隙以及絕緣穿透距離(DTI)與相對漏電指數(CTI)等。

傳統IPM電路的介接

圖1顯示了微控制器與IPM間的馬達驅動電路圖,電路中使用了七個Avago的ACPL-W456數位式光耦合器來隔離IPM的七個閘極驅動輸入,其中六個用在高電壓與低電壓IGBT的三個相位,另一個則做為煞車功能。兩個HCPL-7840隔離放大器用來隔離透過兩個分流電阻得電壓取樣取得,正比於兩個馬達相位電流的線性訊號,並回授給微控制器,四個HCPL-817通用型光電晶體光耦合器則提供由IPM產生錯誤回授訊號的隔離,所有這些光耦合器都符合強化安全絕緣標準,並提供低電壓與高電壓電路間的電氣隔離。

這個傳統的IPM使用反向邏輯設計,也就是說,當輸入電壓為高電位時IGBT關斷,輸入電壓為低電位時IGBT導通,ACPL-W456光耦合器具備有開集極電晶體輸出,這代表了在微控制器以及IPM的輸入端取得電源前,光耦合器的輸出邏輯位準為高電位,可以讓IGBT保持在關斷狀態。通常高電壓端浮動電源VCC_UH/VCC_VH/VCC_WH以及低電壓端電源VCC_L會提供15V,IPM驅動輸入則能夠以15V運作並形成邏輯高電位。

ACPL-W456的輸出高電壓可以由以下方程式計算得出:

VOH=VCC-IOH x RL

其中VCC為電源電壓,IOH為輸出高電位時的電晶體漏電流,RL則為輸出電晶體的提升電阻值。

我們可以選用適當的提升電阻值搭配足夠高的輸出電壓VOH來控制IGBT的導通與關斷,而不會造成PWM邏輯發生錯誤,例如當最大漏電流為50μA時,在15V電源下適合的提升電阻為20kΩ,5V電源下則為3kΩ,如果VCC電源電壓在運作時會有所變動,那麼在計算時就應該使用最低可能的VCC電壓值。


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