IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用

张元 李少飞 李晓龙

IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块的相关功能完善、安全性能极高，其在主电路的有源电力滤波器装置中进行运行时，具有体积小、集成度高的特点。在有源滤波器中应用到IPM能够在很大程度上简化装置的主电路，进而提高整体性能的稳定性。IPM在装置中主要包括了驱动电路、缓冲吸收以及保护电路三个部分。本文通过分析IPM在有源滤波器中的设置，总结出其在有源滤波器装置中的具体应用。

前言

伴随着计算机技术与电力电子技术以及运动控制技术的飞速发展，电力电子器件在这样的环境中也发生着巨大的转变。根据国内外的研究背景来分析，变频技术正在朝着小型化、多功能的方向发展，而电力电子器件也从半控器件、全控器件、功率模块一直发展到现在的智能功率模块。智能功率模块具有集成度高和体积小的特点，其在有源滤波器装置中的应用能够有效保护电路以及控制电压。本文研究了IPM的电路设计，并分析了其具体应用。

一、IPM智能功率模块的概述

智能功率模块是由高速和低功率的电子芯片以及优选的门级驱动和保护电路共同构成的。由此看来，其具有开关速度快和功耗低的特点。智能功率模块中每一个晶体管的驱动电路都设计出了最佳的驱动条件。和传统的晶体管模块相比，IPM在系统性能以及可靠性方面都有了很大程度的提高[1]。

IPM应用于有源滤波器当中能为内建中的保护电路提供4种保护功能，分别是过流保护、短路保护、欠压保护以及过热保护功能。在实际的工作当中，如果IPM模块中体现出一种保护电路的动作，整个滤波器的驱动单元就会关闭门极电流，同时传输出一个故障信号，有效保护整个电路。

二、IPM智能功率模块的电路设计

智能功率模块的电路设计主要包含了三个方面内容，分别是驱动电路部分、缓冲吸收电路部分以及保护电路部分。

在实际的智能功率模块中，有一种R型的智能功率模块，在其内部一共装有7个晶体管，并在1200V/75A的条件下运行。由于智能功率模块内部装置了驱动电路，因此和普通晶体管驱动的电路设计相比而言，外部驱动的电路设计则更加简洁。之所以出现这种简便的装置，根本原因在于驱动电源以及光耦接口中电路的设计[2]。

值得注意的是，智能模块功率对驱动电路的输出电压有着十分严格的要求，这种严格的要求具体体现在：首先，驱动电压的范围为（1±10%）×15V，如果电压小于13.5V的话将会发生欠压保护的现象，电压如果高于16.5V的话将会产生损坏内部零件的情况。其次，驱动电压要相互隔离，以此避免地线的噪声相互干扰。最后一点，驱动电流输出端滤波的总体电容量不能过大，因为当所寄生的电容超过了100pF时，噪声的干扰将会有可能在错误的情况下触发到内部的驱动电路[3]。

在缓冲吸收电路的部分中，智能功率模块所产生电压的主要原因是存在着关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压。关断浪涌电压是指在关断的瞬间流过晶体管的电流时产生瞬态的高压，而当续流二极管恢复到反向的阻断能力时就会产生和关断浪涌所相似的浪涌电压。因此，为了保护晶体管就必须使用到缓冲吸收电路，缓冲吸收电路可以用来控制晶体管等功率元件的关断浪涌电压以及续流二极管恢复浪涌电压，从而在减少对开关损耗的同时能够使功率元件的功率达到极限。

三、智能功率模块的具体应用

驱动电路IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块是主电路和控制电路之间的一个接口，该接口的作用是确保驱动电路的稳定，而稳定的驱动电路对有源滤波器（APF）整个装置的运行、可靠性能以及安全性能都有着十分重要的意义。在功率的驱动电路当中，保护电路是不可或缺的一项功能，完整的系统保护不能够仅仅依靠智能功率模块当中的内部保护功能，在实际的运行当中还需要借助外围的保护电路。IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块内部保护功能在其发生故障的时候会有效输出一个故障的信号，外围的保护就是在故障信号处理的基础上提供保护措施[4]。

在传统的有源滤波器（APF）中，所采用的是电感和电容的元件来运行，这种元件组成具有很大的弊端，比如说其具有占用的体积大、受到参数的影响比较大以及补偿性差的缺陷等，故传统的有源滤波器仅仅能够抑制住固定次数的谐波。而应用IPM（Intelligent Poewr Module）智能功率模块在有源滤波器（APF）中，在很大程度上会提升其运行的能力，同时产生出高速的输出冲脉。如果在实际的运用中能够使用多种结构来进行串联或并联的工作，将会得到更多的控制点，输出的波形也会更加明显[5]。

结论：目前，在我国的电力有源滤波器（APF）中，智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）的应用极为广泛。将由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的智能功率模块IPM应用在有源滤波器（APE）中，可以有效简化电路中的设计，减少相关的智能功率控制环节，从而大幅度提高电路系统的安全性及可靠性。所以，只要在电路设计时注意对智能功率模块IPM相关电路的设计，就能更好的完善电路中的智能功率控制系统。

参考文献

[1]袁涛，郑建勇，康静.IPM智能功率模块电路设计及其在有源滤波器装置中应用[J].电力自动化设备，2011，05（19）：88-91.

[2]曾伟，程汉湘.《电力自动化设备》2007年著者索引（第27卷第1～12期）[J].电力自动化设备，2011，12（21）：113-121.

[3]刘建，吴春芳，朱约章，IGBT-IPM智能模块的电路设计及在SVG装置中的应用[J].国外电子元器件，2014，03（22）：40-44.

[4]吴国亮，邹秀斌，孙斌.IPM智能功率模块在高精度惯导测试设备中的应用[J].计算机测量与控制，2010，10（10）：2247-2249-2252.

[5]范瑞祥，罗安，李欣然.并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究[J].中国电机工程学报，2011，02（09）：106-111.

（作者单位：陕西烽火电子股份有限公司）