了解IPM保护功能及死区时间

1.IPM的保护功能

IPM内置有驱动和保护电路，用以防止系统相互干扰或过载时损坏功率芯片。它采用的故障检测和关断方式使功率芯片的容量得到最大限度的利用。IPM内置各种保护功能，只要有一个保护电路起作用，IGBT的栅极驱动电路就关闭，同时产生一个故障信号。

（1）过电流（OC）保护

过电流保护由IPM内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当过电流时间超过允许时间时，IPM就输出动作信号，并封锁输入信号，对模块实行软关断。在过电流期间，IPM不再接受输入信号。过流信号过后，输入信号才能导通。如果IGBT中的电流超过过电流断开阈值，且持续时间大于t_off（oc）时，IGBT就会关断，t_off（oc）设置为10μs（典型值）。电流在OC以上但持续时间小于t_off（oc）时，过流保护电路不工作。

（2）短路（SC）保护

短路电流保护由IPM内藏的电流传感器检测各桥臂电流，当短路电流超过允许电平时，IPM就输出动作信号，并封锁输入信号，对模块实行软关断。这个过程与过电流保护相同，但其动作时间更快。负载短路或系统控制器因相互干扰而发生直通现象时，IPM内的短路保护电路就会立即关断IGBT。当流过IGBT的电流超过电流断开阈值（SC）时，就会立即开始关断，同时产生一个故障信号。

（3）过热保护（OT）

靠近IGBT芯片的绝缘基板上装有温度传感器，IPM的超温保护单元实时监测IPM基板的温度，基板的温度超过过热断开阈值（OT）时，IPM内的温度保护电路就会中止栅极驱动，对模块实行软关断，输出故障信号。不响应控制输入信号，直到过热故障被排除。温度下降到过热复位阈值（OT_r）以下，同时控制输入为高电平（断态）时，功率芯片将恢复工作，当下一个低电平输入信号（通态）来临时就恢复正常运行。

（4）欠电压（UV）保护

IPM的欠电压保护实时监测控制电源电压，欠电压时间超过允许时间时，欠电压保护电路就输出动作信号，并封锁输入信号，对模块实行软关断。当欠电压信号恢复到允许值时，IPM才停止输出动作信号，重新接受输入信号。内部控制电路由15V直流电源供电。无论什么原因，只要该电源电压降到欠压断开阈值以下，IPM就关断，同时会产生一个故障信号。小毛刺干扰电压的持续时间小于规定的延时时间t_dVv时，控制电路不受影响，欠电压锁定保护电路也不动作，该t_dVv值约为10μs。为了恢复正常运行状态，电源电压必须超过欠电压复位阈值（V_Vr）。控制电源上电和掉电期间，欠压锁定保护电路都有可能起作用，这属于正常现象，系统控制器程序所要考虑的只是所产生的故障输出信号的脉冲宽度（t_FO）。

（5）误动作（FO）报警输出信号

各种故障动作时间如果持续1ms以上，IPM即向外部CPU发出误动作信号，直到故障撤销为止。当IPM发生UV、OC、OT、SC中任一故障时，其故障输出信号持续时间t_FO为1.8ms（SC持续时间会长一些），此时间内IPM会封锁门极驱动，关断IPM。故障输出信号持续时间结束后，IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。

可以看出，器件自身产生的故障信号是非保持性的，如果t_FO结束后故障源仍旧没有排除，IPM就会重复自动保护的过程，反复动作。过电流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠IPM内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护。要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。

2.IPM死区时间

图3-17所示为变频器主电路的原理图，220V交流电压经过由VD1～VD4和电解电容C₁组成的桥式整流和阻容滤波电路后为IPM模块提供直流电源，六个开关管按照一定规律通断，分别在L1、L2、L3三端输出一系列的三相矩形波信号，通过调整矩形波的频率与占空比达到调节输出电压频率和幅度的目的，本电路采用PWM（Pulse Width Mudutate，脉冲宽度调制）控制技术，PWM控制技术从控制思想上可以分成四类：等脉宽PWM法、正弦波PWM法、磁链追踪PWM法和电流追踪型PWM法。不管采用何种控制方式，都必须注意L1、L2、L3任意一相上下两个桥臂不能同时导通，否则直流电源将在IPM内部形成短路，这是绝对不允许的。为了避免电源组件的切换反应不及时可能造成的短路，一定要在控制信号之间设定互锁时间，这个时间又叫换流时间，或叫死区时间。(www.xing528.com)

图3-17 变频器主电路的原理图

一般情况下，在程序设计时就会考虑死区时间并写进控制软件，但由于不同公司生产的IPM，对死区时间长短的要求不尽相同，这样软件就会出现多个版本，不便于应用管理，并且影响CPU的MASK（掩模）工作。为了控制软件的统一性，有的将死区时间放到芯片外扩展的E2中，对不同公司的IPM，只需改变一下E2中的数据，即可简单实现死区时间的匹配。这种方法的缺点是生产成本较高，在实际应用时受到一定限制。随着集成电路工艺的不断改进，各种逻辑门集成电路的价格不断地下降，使采用硬件电路实现死区时间设定成为可能，这种方法的优点是电路简单，延时时间方便可调，成本低廉。延时电路原理图如图3-18所示。

图3-18 延时电路原理图

因为IPM控制输入低电平有效，平时CPU输出控制脚1处于高电平，逻辑或门输出高电平，IPM输入锁定。当CPU输出低电平有效时，高频瓷片电容通过电阻放电，逻辑或门输入脚2仍然维持高电平，逻辑或门输出高电平，IPM输入仍然锁定。当电容放电完毕，或门输入脚2变为低电平时逻辑输出才为低电平，IPM控制输入有效，因此，电容放电时间就是CPU控制输出到IPM控制输入有效的延时时间。当CPU控制输出关断，即输出重新变为高电平时，尽管电容处于充电状态而使或门输入脚2处于低电平，逻辑或门输出仍然立即变为高电平，锁定IPM输入。上述电路只是六路IPM控制输入的其中一路，其他五路做同样处理，通过调整R、C的参数，就可以实现所需要的延时时间。一相电路控制时序图如图3-19所示。根据电工学公式，由R、C组成的一阶线性串联电路，其电容电压V_c可以用下式表示：

图3-19 信号时序图

V_c=V₀exp（-t/τ） （3-6）

式中，τ为时间常数，τ=RC。

在图3-18所示电路中，选择ST公司生产的高速CMOS或门电路，它的关门电平为1.35V（电源电压为4.5V），即当输入电压降至1.35/4.5V₀=0.3V₀时，输出电平转换有效，因此由式（3-6）可以推导出：

t_d=-τln0.3=1.2RC （3-7）

式（3-7）就是选择R、C值的指导公式。例如，需要延时时间为10μs，选择精度为5%高频瓷片电容，容量为10³pF，则R=t_d/1.2C=833Ω，这样R就可选择精度为1%、阻值为820Ω的金属膜电阻。

按照上述方案设计的硬件延时电路，结构简单，成本低廉，可靠性极高，在实际使用时只需简单调换一下电阻的阻值就可实现对死区时间要求不同的IPM控制。