三菱第4代大型DIP-IPM详解

1.三菱DIP-IPM特点

三菱IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU（中央处理器）或DSP（数字信号处理器）作中断处理。它由高速低功耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，IPM自身也不会受到损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，三菱DIP-IPM有四种封装形式：单管封装，双管封装，六管封装和七管封装，三菱DIP-IPM具有以下特点：

1）开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠IGBT芯片，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。

2）低功耗。IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快，故IPM功耗小。

3）快速的过电流保护。IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或直接短路时，IG-BT将被软关断，同时送出一个故障信号。

4）过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。

5）桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。

6）抗干扰能力强。优化的门级驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线。

7）驱动电源欠电压保护。当驱动控制电源（一般为15V）欠电压时，会造成驱动能力不够，增加导通损坏。IPM自动检测驱动电源，当低于一定值超过10μs时，将截止驱动信号。

8）IPM内藏相关的外围电路，缩短开发时间，加快产品上市。

9）无须采取防静电措施。

10）大大减少了元件数目，体积相应小。

2.三菱DIP-IPM内置功能及内部电路

三菱第4代大型DIP-IPM采用便于量产、性能优异的压注模封装技术，将电动机控制用逆变回路的功率硅片及其驱动和保护电路等集成于一个模块之中。与三菱第3代大型DIP-IPM相比，由于在绝缘结构中采用了高导热性能的绝缘导热片，因此在相同的封装尺寸下，三菱第4代大型DIP-IPM能够提供相对更高的额定电流（75A/600V），扩展了产品线。三菱第4代大型DIP-IPM内置功能有：

1）P侧IGBT部分：驱动电路、高压电平转换电路、控制电源欠电压（UV）保护电路（无故障信号输出）。

2）N侧IGBT部分：驱动电路、短路保护电路、控制电源欠电压（UV）保护电路。

3）短路保护：通过DIP-IPM外部的电流检测电阻，对N侧IGBT硅片的分流电流进行检测，并反馈给DIP-IPM。

4）LVIC温度模拟量输出电路。

5）故障信号输出：N侧IGBT短路保护及N侧控制电源欠电压保护动作时输出。

6）IGBT驱动电源：DC15V单一电源。

7）输入接口：高电平有效。

三菱第4代大型DIP-IPM内部电路如图3-21所示。

图3-21 三菱第4代大型DIP-IPM内部电路

3.三菱第4代大型DIP-IPM与以前产品的比较

三菱第4代大型DIP-IPM和第3代大型DIP-IPM（PS2186X）的不同点主要有以下几个方面。

1）产品容量的扩展。由于绝缘导热结构从树脂绝缘结构改成了绝缘导热片结构，结到壳间的热阻大大降低，因此在封装尺寸相同的情况下，从原来最大电流为50A/600V的产品扩展到75A/600V的产品。

2）短路保护检测方法的改变。以前在N引脚外外接旁路电阻（shunt-resistor）来实现短路电流的检测，在电流增大时，电阻部分的损耗也变大，需要选取功率大的电阻。三菱第4代大型DIP-IPM采用具有电流传感功能的IGBT硅片，通过检测与主电流成比例的微小电流来检测短路情况，从而改变了检测方法。因此，没有必要在主电流流经的通路上外接旁路电阻，改善了电阻部分的损耗。

3）LVIC温度模拟输出功能。在N侧IGBT的LVIC内集成了温度检测元件，此电路将输出一个模拟信号。这样就可以代替原来安装在外部散热器上的热敏电阻来进行过热保护（因检测的是LVIC部分的温度，由于LVIC远离IGBT硅片，因此无法跟踪开关工作时IGBT硅片急剧变化的瞬时温度。而且，过热时内部无法自主保护。为了能够进行过温保护，应监视模块的该模拟量输出，必要时关断输入信号。）。

4）引脚排列。为实现以上2）、3）的功能而增加了两个引脚，以及将N侧IGBT的发射极引脚分开（即相应分为3个引脚）引出，这些都与第3代大型DIP-IPM（PS2186X）不同。

4.保护功能及其工作时序

三菱第4代大型DIP-IPM具有短路和欠电压保护功能，且能够输出LVIC温度模拟信号。保护功能的工作原理和时序说明如下。

（1）短路保护

三菱第4代大型DIP-IPM与第3代大型DIP-IPM不同，以前的DIP-IPM采用外接的旁路电阻来检测电流，而三菱第4代大型DIP-IPM是在N侧采用具有电流传感功能的IGBT硅片，可以直接检测分流电流，如图3-22所示。采用这种方式检测电流无需在主电路上外接旁路电阻，从而减少了旁路电阻的损耗。短路保护电流值见表3-14，硅片上的主电流通过硅片分流的检测电流流经检测电阻R_s，在R_s上产生压降。该电压信号反馈到DIP-IPM的CIN引脚，通过模块内部的比较器来判断是否发生短路故障，从而实现短路保护。当短路保护动作时，N侧的3个IGBT立即硬关断，并输出Fo信号。Fo输出为低电平脉冲信号，其脉冲宽度由接在CFO引脚处的电容来设定。

图3-22 短路保护电路

表3-14 短路保护电流值（条件：T_j=-20～125℃，V_D=15V，不给NU、NV、NW外接旁路电阻）

为了防止由于正常的开关噪声或恢复电流引起的误保护动作，需要在CIN引脚处接RC滤波器。为了使DIP-IPM的短路保护时间限制在2μs内，短路时IGBT应在2μs内关断，因此RC滤波器的时间常数推荐为1.5～2μs。

通常，推荐的PS21A7A检测电阻值为23.2Ω，PS21A79检测电阻值为40.2Ω（两电阻均为E96系列）。但实际应用中可以根据期望的短路保护值来设定电阻的阻值（应该比上面推荐的阻值大）。PS21A7A和PS21A79检测电阻值与短路保护电流的关系，分别如图3-23和图3-24所示（T_j=-20℃～125℃、V_D=15V，NU、NV、NW端子不外接旁路电阻。）。

图3-23 PS21A7A的传感电阻值与短路保护电流的关系

图3-24 PS21A79的传感电阻值与短路保护电流的关系

在检测电阻的阻值随温度变化而变化时，会影响短路保护的电流值，因此要选用温度特性好、精度范围在±1%以内的无感电阻。在检测电阻的最大功率计算中，需要估计检测电流的最大值，PS21A7A和PS21A79的检测电流的分流比为1/3000。以下以PS21A7A为例来计算检测电流的最大值。计算举例如下：

1）正常使用时：假设正常使用时的最大电流为额定电流的2倍，即150A。检测电阻值为23.2Ω，则检测电流为

150A/3000=50mA

该电流流经检测电阻后电阻上的损耗为

P=I²×R=（50mA）²×23.2Ω=58mW

2）短路故障时：发生短路故障时，主电流大小依赖于具体应用条件，但最大可能达到IGBT的饱和电流（约是额定电流的10倍=750A）。此时的检测电流为

750A/3000=250mA

但此电流应有短路保护电路在2μs内关断，则检测电阻上单位时间内的平均损耗为

P=I²×R×t/1s=（250mA）²×23.2Ω×2μs/1s=0.0029mW

因此，选用功率为1/8W以上的电阻是没有问题的，但实际应用中还需要做充分的评价。在短路故障发生后，CIN引脚的电压输入给模块，使得IGBT的栅极被关断，IC内部的动作有时间延迟，该延迟时间见表3-15。

表3-15 短路保护回路的延迟时间

因此，从检测电阻上的压降超过短路保护设定值到IGBT的栅极硬关断的总延迟时间，是外部滤波器RC的延迟时间与IC内部延迟时间的总和。短路保护动作的时序图（只有下臂）如图3-25所示，短路保护动作的时序如下：

图3-25 短路保护时序图

① 正常工作：IGBT导通，输出电流。

② 检测到短路电流（SC触发，设置RC时间常数为1.5～2.0μs。）。

③ N侧所有IGBT的栅极被硬关断。

④ N侧所有IGBT关断。

⑤ Fo故障信号输出，脉冲宽度由外接电容C_FO来决定。

⑥ 输入信号电平“L”：IGBT关断。

⑦ 输入脉冲电平“H”：本来为IGBT开通信号，但在有Fo输出期间IGBT仍为关断状态。

⑧ Fo复位后，输入信号由“L→H”时，IGBT开通。

（2）控制电源欠电压保护（UV）

当控制电源电压降低时，模块内部的IGBT栅极电压也会降低。栅极电压过低时不利于IGBT工作，因此电源电压应该在推荐的范围内。控制电源电压欠电压时，UV功能会动作来保护IGBT。P侧和N侧都有UV功能，但故障信号Fo只对应N侧欠电压保护，在N侧UV保护状态下持续输出Fo；而P侧欠电压保护只是关断IGBT，没有Fo输出。另外，UV保护电路内置了噪声滤波器（典型值约10μs）来防止瞬间的欠电压保护误触发。因此，在欠电压情况发生后的前10μs内，控制信号仍然有效。DIP-IPM的工作状态与控制电源的关系见表3-16，N侧控制电源欠电压保护时序如图3-26所示。

表3-16 DIP-IPM的工作状态

（续）

图3-26 N侧控制电源欠电压保护时序图

控制电源电压欠电压保护动作的时序（N侧、UV_D）：

① 控制电源电压的建立：当V_D上升超过UVDr时LVIC开始工作。

② 正常工作：IGBT导通，输出电流。

③ 控制电源电压欠电压触发（UV_Dt）。(www.xing528.com)

④ 即使有控制输入，N侧所有IGBT依然关断。

⑤ 故障信号输出（Fo输出的脉冲宽度不小于外接C_FO电容的决定值，直到控制电源电压恢复正常）。

⑥ 欠电压保护恢复（UV_Dr）。

⑦ 正常工作：IGBT导通，输出电流。

P侧控制电源欠电压保护时序如图3-27所示。控制电源电压欠电压保护动作的时序（P侧、UVDB）：

① 控制电源电压的建立：当V_D上升超过UV_DBr时HVIC开始工作。

② 正常工作：IGBT导通，输出电流。

③ 控制电源电压欠电压触发（UV_DBt）。

④ P侧IGBT关断，即使有控制输入，IGBT依然关断，没有故障信号Fo输出。

⑤ 欠电压保护恢复（UV_DBr）。

⑥ 正常工作：IGBT导通，输出电流。

图3-27 P侧控制电源欠电压保护时序图

如果高频噪声叠加到控制电源上，可能导致IC故障并引起DIP-IPM误动作。为了避免发生类似情况，在电源电路的设计时要注意纹波电压应该在2V以内，纹波系数在±1V/μs以内，应满足以下条件：

dV/dt≤±1V/μs；V_ripple（纹波峰-峰值）≤2V_p-p

5.温度模拟信号输出功能

三菱第4代大型DIP-IPM内置控制IC（LVIC）部分的温度检测单元，可以测得LVIC温度，并输出该温度模拟信号。由于IGBT、续流二极管硅片的发热是通过内置和外部散热器以及模块的铸模树脂传导的。因此，当发生电动机堵转、短路等硅片温度迅速上升的情况时，LVIC的温度不能够跟随硅片温度迅速上升。

该功能的使用方法类似于传统的散热器上安装热敏电阻来检测温度，适用于诸如散热器的风扇停转以及持续过载运行等导致的温度上升的保护（DIP-IPM本身不能够停止外部控制系统进而保护模块，因此，在必要的时候，外部控制需要根据监测到的温度输出信号来实施保护动作指令。）。三菱第4代大型DIP-IPM搭载具有温度信号输出功能的LVIC，其温度和V_OT的关系如图3-28所示。

如上所述，由于硅片的发热是通过模块壳体和外部的散热器传到LVIC，LVIC的温度（T_ic）和硅片结温（T_j）、硅片正下方的壳温（T_c）的关系随外部散热器、散热条件和控制方法等的不同而不同。例如，使用表3-17中列出的散热器，因散热器不同，相同IGBT损耗产生的壳温与LVIC温度间的关系也不同。因此，在温度保护设计时需要综合考虑在系统的散热条件下，硅片的结温（T_j）、壳温（T_c）以及LVIC温度（T_ic，以温度模拟输出VOT代替）之间的关系，以确保T_c在100℃以下且T_j不超过150℃。

图3-28 温度和V_OT的关系曲线

表3-17 散热器

6.三菱第4代大型DIP-IPM接口电路

（1）无光耦隔离接口电路

图3-29给出了典型的接口电路原理图，其中控制器（MCU或DSP）的控制信号直接连接到DIP-IPM。控制电源的地与功率地如果共用地线，流过大电流时地线上电位的变化可能导致模块误动作。因此，控制电源的地与功率地应该分开来走线，在N1（旁路电阻的一端）处一点共地。

为防止浪涌电压带来的损坏，平滑电容和P（40）、N1引脚间的布线应尽可能地短。通常在引脚间放置一个0.1～0.22μF的吸收电容C₃。短路保护电路滤波器R₁、C₄的时间常数应该在1.5～2μs的范围内，且R₁、C₄要选择温度离散性小的元件，SC的关断时间也可能会随布线方式而变化。

所有的电容应尽可能地紧密连接在DIP-IPM的引脚上，C₁选择温度特性和频率特性优良的电解电容，C₂选择温度特性、频率特性和直流旁路特性优良的陶瓷电容，电容值为0.22μ～2μF。为了防止HVIC被浪涌损坏，应在每一路15V电源引脚上连接一个稳压二极管（24V、1W）。为了防止短路保护误动作，CIN引脚和VSC引脚间接RC滤波电路，检测电阻的接线应尽可能地短。

图3-29 无光耦隔离的外部接口电路图

检测电阻的精度（含温度特性在内）要求在±1%以内，且为无感电阻。推荐电阻的功率为1/8W以上，但最终需要在具体的应用系统中评价。为防止保护误动作，A、B、C的布线应尽可能地短。Fo输出是漏极开路型，应连接一个上拉电阻到控制电源（5V或15V）的正极，保证I_Fo=1mA以下，在上拉至5V电源时上拉电阻应大于5.1kΩ（推荐阻值为10kΩ）。

Fo输出脉冲宽度取决于CFO引脚接的电容，t_FO（典型值）=C_FO/（9.1×10^-6）（s）。自举二极管VD₂应选用高耐压（600V或以上）、快恢复（t_rr＜100ns）二极管。输入逻辑是高电平有效。每一路输入电路都内置了一个3.3kΩ（最小值）的下拉电阻。如果有外部RC滤波器，要注意输入信号电平应满足开通和关断阈值电压的要求。由于模块内部集成了HVIC，使得无需光耦合器或变压器而直接将MCU/DSP和模块相连接成为可能。为防止误动作，输入信号线应尽可能地短。

（2）光耦隔离接口电路

采用光耦隔离的接口电路如图3-30所示，推荐使用高速光耦合器（高CMR）。Fo引脚的下沉电流最大为1mA，因此，驱动光耦需要使用缓冲放大电路。

图3-30 有光耦隔离的外部接口电路图

7.信号输入引脚和Fo引脚的电路

（1）控制输入引脚的内部电路

三菱第4代大型DIP-IPM采用高电平输入逻辑，因此不再有控制电源和输入信号启动或关断的次序限制。控制输入引脚的内部结构如图3-31所示，每个输入电路都内置一个3.3kΩ（最小）的下拉电阻，外部无需下拉电阻，开通和关断的阈值电压规格见表3-18。

图3-31 控制输入引脚的内部结构图

表3-18 输入阈值电压值（V_D=15V，T_j=25℃）

DIP-IPM的输入信号引线要尽可能地短，如果引线过长，容易叠加噪声信号，需要在靠近模块引脚处加RC滤波器。另外，DIP-IPM的输入脉冲有最小宽度限制，见表3-19。如果宽度（On和Off）小于限制值时，DIP-IPM可能不会响应或者不能正常工作。

每一路输入上的RC电路取决于应用中的PWM控制策略和PCB的布线阻抗，DIP-IPM的信号输入部分集成了3.3kΩ（最小）的下拉电阻。因此，当使用外部滤波电阻时，应注意输入引脚的信号电压的下降。

表3-19 最小输入信号的脉冲宽度规格条件

脉冲宽度小于PWIN（on）的开通输入信号可能无效；脉冲宽度小于PWIN（off）的关断输入信号可能无效，或者对于P侧来说其开通时间可能变长（约2μs以下）。但是，即使出现这种现象，模块也不会持续保持关断状态。输入信号小于最小脉冲宽度PWIN（off）时的输出动作时序（P侧）如图3-32所示。

图3-32 输入信号小于最小脉冲宽度PWIN（off）时的输出动作时序（P侧）

（2）Fo引脚的内部电路

Fo引脚是漏极开路型，必须上拉到5V电源，如图3-33所示。上拉电阻的阻值推荐为10kΩ。图3-34给出了Fo引脚的典型V-I特性。Fo引脚的最大下沉电流I_Fo是1mA。如果输出连接到光耦合器，应注意光耦合器的驱动能力。Fo引脚的电气特性见表3-20。

图3-33 控制输入连接图

图3-34 给出了Fo引脚的典型V-I特性

表3-20 Fo引脚的电气特性

8.吸收电路

为了防止DIP-IPM不被外部浪涌电压损坏，应尽可能地缩短平滑电容和DIP-IPM的P-N引脚间的布线长度。同时，在DIP-IPM的直流母线附近也应放置一个0.1～0.22μF/630V的吸收电容。吸收电容接在P和NU、NV、NW之间最近的地方，如图3-35所示。

9.DIP-IPM的安全工作区（开关状态、短路状态）

图3-35 推荐的吸收电路

三菱DIP-IPM内置栅极驱动电路和保护电路可以对超出IGBT安全工作区的运行模式加以保护以免模块受损。DIP-IPM内置的栅极驱动电路和保护电路可以对许多违反IGBT模块安全工作区（SOA）的运行模式加以保护。以下说明是在DIP-IPM的安全工作区（SOA，SafetyOperatingArea，规格书中没有给出该指标）中，V_CES为DIP-IPM内部的IGBT集电极-发射极间电压的最大额定值；V_CC为P-N引脚间的电源电压；V_{CC（surge）}为V_CC和布线电感以及直流母线电容产生的浪涌电压的总和；V_CC（PROT）为DIP-IPM能自我保护的直流母线电压。开关（关断）安全工作区通常定义为在重复关断运行时的最大允许瞬时电压和电流，此外，最大工作电流受过电流保护电路的限制。开关状态时的SOA特性曲线如图3-36所示。

（1）开关动作时

V_CES代表IGBT的最大电压额定值（600V），V_CES减去内部布线电感产生的浪涌电压（100V或更少）得到V_CC（surge）为500V。V_CC（surge）再减去DIP-IPM和直流母线电容之间的布线电感产生的浪涌电压（50V或更少）得到V_CC为450V。

（2）短路时

V_CES代表IGBT的最大电压额定值（600V），V_CES减去内部布线电感产生的浪涌电压（100V或更少）得到V_{CC（surge）}为500V。V_{CC（surge）}再减去DIP-IPM和直流母线电容之间的布线电感产生的浪涌电压（100V或更少）得到V_CC为400V。短路状态时的SOA特性曲线如图3-37所示，只要满足数据手册给出的技术指标IGBT一般不会损坏。

图3-36 开关状态时的SOA特性曲线

图3-37 短路状态时的SOA

（3）短路SOA

图3-38和图3-39分别给出了PS21A7A和PS21A79的短路SOA曲线，条件是：V_CC=400V、T_j=125℃，非反复操作，V_CES≤600V、V_{CC（surge）}≤500V（包含浪涌电压）。图中以内置IGBT的开通阈值电压的最小值为例，当短路电流不超过额定电流值的10倍，且IGBT导通时间小于4.5μs，则模块能够可靠关断IGBT。由于短路安全工作区（SCSOA）会随控制电源电压（V_D）、直流母线电压（V_CC）等的不同而变化，因此设定RC滤波时要考虑一定的裕量。

图3-38 PS21A7A的典型短路SOA特性曲线

图3-39 PS21A79的典型短路SOA特性曲线