基于IR2136智能功率模块电路的设计

　当前，功率电路的模块化和系统集成技术已成为电力电子技术领域最重要的研究方向之一[1]。智能功率模块IPM(Intelligent Power Module)即是系统集成模块思想的体现之一[2]。IPM模块是指专用于驱动和控制各种工业与民用、单相与三相电机的新型智能功率模块，又称为电机“逆变电源”。IPM将输出功率元件和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，提高了系统整体性能及可靠性、降低了通态和开关损耗、缩小了体积并减少了系统成本。与传统的分立元件相比，IPM模块具有结构紧凑、体积小、功能完整和易于大批量生产的特点。由于马达是现代各种自动控制系统的动力源，可以应用于变频空调、变频洗衣机、变频冰箱等家用电器和变频器、工业电机等的变频调速中。因此，IPM模块的市场非常广泛。
　本文在此背景下设计了一种基于IR2136[3]的IPM电路，并用PSpice软件对所设计电路进行了仿真验证。
1 IPM电路的组成及主电路设计
　IPM电路组成如图1所示，主要由功率电路(整流电路和逆变电路)和驱动电路组成。

1.1 IPM驱动电路的设计
　驱动电路主要由IR公司的三相逆变器驱动器集成芯片IR2136组成。IR2136集成了6个MOSFET或IGBT高电压栅极驱动器，并融合了多元化的保护功能，使系统成本比采用光耦解决方案降低了30%，是专为2 kW或以下的(110 V~360 V)输入逆变器设计的，适用于交流感应、无刷直流或开关磁阻电机驱动。
　图1中的D7、D8、D9和C1、C2、C3是自举元件[3-5]，其所组成的自举电路用来可靠地驱动高压侧IGBT栅极器件。如图1所示，Vbs(IR2136 Vb和Vs管脚之间的电压差)给集成电路高端驱动电路提供电源。该电源电压必须在10～20 V之间，以确保驱动集成电路能够完全地驱动IGBT栅极器件。IR2136驱动集成电路具有Vbs欠压保护，当Vbs电压下降到一定值(典型值是8.2 V)时，将关闭高端驱动输出，这保证了IGBT不会在高功耗下工作。Vbs电源是悬浮电源，附加在Vs电压上(Vs通常是一个高频的方波)。这种自举技术的好处是简单、低廉。电路的工作原理如下：当Vs被拉到地时(通过下端器件或负载)，15 V的Vcc电源通过自举二极管(D)给自举电容(C)充电，也即给Vbs提供一个电源。
　(1)自举电容参数的确定
　自举电容应该提供的最小电荷如下：

1.2 IPM的功率主电路设计
　IPM功率电路[8]由二极管整流电路和IGBT三相逆变电路组成。整流二极管电压额定值URRM、电流额定值IVDM及IGBT额定电压UCEP、额定电流IC分别计算如下：

式中，UAC为220 V输入交流电压，KV为电压波动系数，αV为安全系数，?驻UCE为线路杂散电感引起的尖峰电压，αP为过电压保护系数，αU为过电压安全系数，IO为逆变器输出电流，P为逆变器最大输出功率。
按照上述设计原理，设计了1 500 W的IPM电路。交流输入电压为220 V，整流电路为单相桥式。电路的主要元器件参数如下：自举电容为1 μF/25 V钽电容，自举二极管为快恢复MUR160，逆变桥IGBT开关管为IRG4IBC30KD，整流二极管为800 V/5 A的整流二极管。
2 仿真实验
　应用PSpice软件对所设计电路进行了仿真：瞬态分析、步长5 μs、终止时间为80 μs、触发脉冲宽度20 μs、脉冲周期40 μs。图2是其仿真结果波形。
　通过对仿真模型中IR2136触发脉冲进行参数调整，得到的仿真结果如图2(a)、(b)、(c)所示。当输入触发脉冲幅值为3 V和5 V、输入脉冲为低电平时，输出端才有驱动信号输出，且输出的上开关管驱动波形幅值约为14.7 V。如果触发脉冲太低，因输出驱动波形性为高电压(约14.7 V)，对开关管起不到控制作用。

　图2(d)是单脉冲调制时，逆变桥电路的一个桥臂上下开关管驱动波形及桥臂输出波形。从图中可以看出，上下桥臂的驱动是交互进行的，单脉冲调制时，一个桥臂的输出电压幅值就是整流器的输出直流电压(对本设计来说，是单相全桥整流电路，直流电压值为310 V左右)，而栅极驱动电压是最高电压，要比桥臂输出电压高15 V左右。
　当改变直流电压源模型参数值时，仿真结果如图2(e)、(f)所示。由图可知，当欠压锁定的门限值为9.3 V，将图2(f)与图2(a)比较，可以看出，虽然9.3 V的直流电源能让驱动芯片工作，但输出驱动波形幅值已降至10 V以下，已不能可靠地驱动IGBT开关管。
　图2(g)为使能端工作及过流时的输出驱动波形仿真结果。当过流时，即过流检测端ITRIP的电压高于0.5 V时，经过内部传输电路的延时，可靠地关断输出波形，保护IGBT免遭损坏，经过外部RC网络10 μs的传输延迟(本电路设计的延时为10 μs，应用中可根据实际情况通过改变R10、C5的值来改变延时时间)，过流故障自动清除。同时从图2(g)中可以看出，使能端低电平时，输出驱动波形被封锁。
　而当触发脉冲序列发生错误导致桥臂直通时，IR2136芯片内部防直通电路起作用，使上下开关管的栅极驱动信号全为低电平。图2(h)为直通时的输出驱动波形，由图可知，在30～40 μs和70～80 μs时间段，同一桥臂的上下触发脉冲同时低电平有效，输出驱动信号全为低电平，防止了直通的发生。
　本文将系统集成思想应用于IGBT逆变电路，设计了一种基于IR2136为驱动电路的IPM电路。该电路集成了输入欠压、防直通、过流等保护功能。另外，应用自举技术，实现了全桥驱动电路的单电源供电，不但结构简单，还体现了系统集成思想。同时用PSpice软件对设计电路进行了仿真，其结果与理论吻合，验证了本文设计的正确性。
参考文献
[1] LEE F C， WYK J D， BOROYEVICH D， et al. Technology trends toward a system-in-a-module in power electronics[J]. Circuits and Systems Magazine， IEEE，2002， 2(4)：4-22.
[2] IWAMOTO H， MOTTO E， ACHHAMMER J， et al. New intelligent power modules for appliance motor control. APEC 2001， Sixteenth Annual IEEE， 2001(2)：1051-1056.
[3] WOOD P， BATTELLO M， KESKAR N， et al. Plug N driveTM application overview. International Rectifier Application Note AN-1044.
[4] AFTANDILIAN L， MANGTANI V， DUBHASHI A. Advances in power semiconductors and packaging lead to a compact integrated power stage for AC drives[C]. WESCON/97 Conference Proceedings， 4-6 Nov.， 1997：334-339.
[5] Tang Yiliang， Cui Wenjin， Xie Xiaorong， et al. 80C196MC Microcontroller-based inverter motor control and IR2130 six-output IGBT driver[C]. International Conference IEMD ′99，1999： 655-657.