IPM驱动电路和保护电路的研究

IPM驱动电路和保护电路的研究

张梅琼

海信家电集团股份有限公司  广东佛山  528000

摘要：IPM作为一种集成了驱动电路和功率开关的智能模块，在电力电子领域具有广泛的应用。其中，驱动电路负责控制和驱动功率开关，而保护电路负责检测和保护IPM免受故障的影响。因此，研究IPM驱动电路和保护电路对于提高电力电子设备的性能和可靠性具有重要意义。

关键词：IPM；驱动电路；保护电路

引言

随着电力电子技术的快速发展，IPM作为一种集成化的驱动和保护解决方案，被广泛应用于各种电力设备中。IPM驱动电路和保护电路作为IPM的核心部分，对其性能和稳定性起着至关重要的作用。本文旨在对IPM驱动电路和保护电路进行研究和设计，提出可行的解决方案，以提高系统的性能和可靠性。

1、IPM驱动电路的研究

1.1驱动信号的提取和处理

驱动信号的提取和处理是指通过电路和芯片设计，从微弱的输入信号中提取出有效的驱动信号，并对其进行放大、调整和输出，以满足功率器件的驱动需求。在IPM驱动电路中，驱动信号往往来自于控制信号源或控制器，例如微处理器或FPGA等。为了提取驱动信号，通常会采用信号传感器或信号处理电路。信号传感器用于检测输入信号的特征参数，例如电压、电流等。信号传感器将输入信号转化为与之相关的电信号，以便后续的处理。在提取信号之后，需要将信号进行放大和调整，以达到适合驱动功率器件的水平。这涉及到放大电路设计和信号调整电路设计。放大电路通常使用运放或放大器件来放大信号幅度，以使其达到驱动功率器件的要求。信号调整电路主要是对信号频率、相位、波形等进行调整，以确保输出信号与功率器件的工作特性相匹配。为了保证稳定、可靠的驱动信号输出，还需要进行信号滤波和整形。信号滤波主要是去除噪声、干扰等对信号质量的影响。信号整形则是对信号进行形状调整，以符合功率器件的驱动要求，常用的整形电路有比较器、校准电路等。最后，经过提取、放大、调整、滤波和整形处理后的驱动信号将传送给IPM中的功率开关器件，以实现对功率器件的精确控制和驱动。

1.2驱动和保护的集成

驱动和保护的集成是指将驱动和保护电路相互配合，实现集成化设计，以提高整体系统的效率和可靠性[1]。传统的电源驱动系统中，驱动电路和保护电路往往是分离的，独立进行设计和实现。而在IPM驱动电路中，驱动和保护功能被集成在同一个封装模块中，使得它们可以更好地相互配合和协同工作。首先，驱动和保护的集成设计可以提高整体系统的效率。传统的驱动电路和保护电路之间存在着一定的重复和冗余。通过驱动和保护的集成，可以消除这种重复，减少了电路中不必要的元器件和连接，从而降低了能量损耗。其次，驱动和保护的集成设计可以提高整体系统的可靠性。在传统的电源驱动系统中，驱动电路和保护电路是分离独立的，相互之间没有直接的联系。当出现故障或异常情况时，保护功能可能无法及时响应驱动电路的工作状态，导致系统运行不稳定甚至出现损坏。而在IPM驱动电路中，驱动和保护功能被集成在同一个封装模块中，它们之间可以更加紧密地协作和通信。当驱动电路发生异常时，保护电路可以迅速响应并采取相应的措施，以保护功率器件的安全和可靠工作。驱动和保护的集成设计还可以降低系统的复杂性。传统的电源驱动系统中，驱动电路和保护电路需要独立设计、搭建和调试，这需要花费大量的时间和精力。而在IPM驱动电路中，驱动和保护功能被集成在同一个封装模块中，它们之间的接口和通信已经预先设计和实现，大大简化了系统的设计和搭建过程，减少了出错的可能性[2]。对于驱动和保护的集成与优化，还可以进一步考虑一些技术手段和策略。例如，采用先进的功率半导体器件，改善系统的效率和可靠性；利用高速驱动器来提高功率开关器件的响应速度；通过适当的电路设计和算法，减少功率开关器件的损耗和发热；采用先进的故障检测和保护技术，提高系统的故障容忍能力等。

2、IPM保护电路的研究

2.1过温保护

过温保护通过温度传感器监测功率器件的温度，当温度超过设定值时，采取相应的措施，如降低输出功率或断开电路，以防止功率器件过热。过温保护是非常重要的，因为功率器件在工作过程中可能会产生大量的热量，如果热量无法有效散发或控制，就会导致功率器件温度过高，进而导致设备的工作不稳定甚至损坏。而过温保护电路的设计就是为了及时监测功率器件的温度，并在温度超过一定阈值时采取措施，保证设备的安全和可靠运行[3]。首先，温度传感器通常被放置在功率器件上，可以感知到功率器件的温度变化，并将温度数据传输给过温保护电路。在过温保护电路中，有一个温度控制模块，用于对传感器读取到的温度数据进行处理和判断。当温度超过设定的阈值时，过温保护电路可以采取不同的措施。一种常见的措施是降低输出功率。过温保护电路可以通过控制器或开关器件来调整电路的输出功率，以减少功率器件的负荷和热量产生。这样可以通过减少功率器件的工作强度来降低温度，从而保护功率器件的安全运行。另外，当功率器件的温度超过设定阈值时，过温保护电路可以通过控制器或开关器件来断开电路，阻止电流流经功率器件。这样可以有效地降低功率器件的温度，从而避免过热造成的问题。当温度恢复到安全范围内时，过温保护电路会重新连接电路，使设备运行恢复正常。为了进一步提升过温保护的效果，还可以采用一些附加的技术手段和策略。例如，可以使用多个温度传感器来监测功率器件的多个区域的温度分布，以更准确地控制过温保护措施；可以采用先进的温度控制算法，对过温保护的阈值进行动态调整；可以结合其他保护电路，如过流保护和短路保护等，以提供全面的保护措施。为避免发生过大的di/dt，大多数IPM采用两级关断模式，过流保护和短路保护操作可参见图1。其中，VG为内部门极驱动电压，ISC为短路电流值，IOC为过流电流值，IC为集电极电流，IFO为故障输出电流。

图1  内部框架图

2.2过电压保护

过电压保护通过电压传感器实时检测输出电压，当电压超过设定值时，采取相应的控制手段，如切断输入电源，以保护功率器件和整个电路的安全运行。过电压保护在IPM保护电路中扮演着至关重要的角色。功率开关器件在工作过程中，输出电压可能会波动或者出现超过额定电压的情况。如果这些过电压问题无法有效被处理和控制，将对功率器件和整个电路造成严重的损坏和不稳定的工作状态。因此，过电压保护的设计是为了及时检测和处理这些过电压情况，保证功率器件和整个电路的安全和可靠运行[4]。过电压保护的实现方式主要是通过电压传感器对输出电压进行实时监听和检测。电压传感器通常被放置在输出端，用于感知输出电压的变化，并将电压数据传输给过电压保护电路。在过电压保护电路中，有一个电压控制模块，用于处理和判断传感器给出的电压数据。当输出电压超过设定的阈值时，过电压保护电路可以采取不同的控制手段来保护功率器件和整个电路。一种常见的控制手段是切断输入电源。过电压保护电路可以通过控制器或开关器件来切断输入电源，阻止过电压信号进入电路，从而避免功率器件过载和损坏。切断输入电源将有效降低输出电压和功率，保护功率器件免受过电压的影响。此外，过电压保护电路可以通过控制器或开关器件来调整电路的输出功率，以降低输出电压和功率。通过降低输出功率，可以有效减小功率器件的负荷和工作强度，从而避免过电压问题的发生。当电压恢复到安全范围内时，过电压保护电路可以恢复电路的正常工作状态。

3、结语

IPM驱动电路和保护电路的研究对电力电子技术的发展具有重要的意义和应用价值。设计的驱动电路能够提供足够的电流和电压驱动IPM的各个部分工作。同时，保护电路能够实时检测IPM的工作状态，并采取相应的保护措施，避免IPM的过载和故障。未来的研究方向应该是进一步优化IPM驱动电路和保护电路的设计，并结合其他先进的技术手段，提高IPM的性能和可靠性，推动IPM在电力电子领域的广泛应用。

参考文献：

[1]咸粤飞,崔晓光,胡冰等.SiC MOSFET驱动与保护电路设计[J].半导体技术,2022,47(08):660-664.DOI:10.13290/j.cnki.bdtjs.2022.08.011.

[2]孙建民. 大功率IGBT驱动保护电路的设计[D].贵州大学,2023.DOI:10.27047/d.cnki.ggudu.2022.000048.

[3]曹建文. 基于SiC MOSFET集成驱动策略及关键技术研究[D].电子科技大学,2023.DOI:10.27005/d.cnki.gdzku.2022.004827.

[4]刘红奎.基于电压比较器的固态功率控制器驱动保护电路研究[J].电子技术应用,2022,48(08):127-130.DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.212421.