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技術(shù)文章

可編程隔離式智能功率模塊
發(fā)布時間：2013-10-21
 

                                                                                                                     

                                                                         iNTERO 

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該模塊由兩個子系統(tǒng)組成：功率輸出模塊（

EMP

）和嵌入式控制

/

邏輯控制板（

EDB

）。

EMP

和

EDB

之間的連接是通過

EDB

上的一個連接器和

EMP

上配套的連接引腳。這樣就

可以簡單地嵌入一個不同的

EDB

板進行升級。圖

2a

示出了

EMP

模塊的框圖。圖

2b

示出

了

EDB

控制板的框圖。

 

 

 

 

 

 

 

2a.  EMP 

模塊框圖

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

                                                                                                                     

                                                                         iNTERO 

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2.b EDB

控制板框圖

 

 

EMP 

模塊：

 EMP50P12B/EMP25P12B

 

 

EMP

模塊包括以標(biāo)準(zhǔn)逆變器方式配置的六個

IGBT 

和

HEXFRED

二極管。其中

IGBT

采用

的是

IR

公司的新一代

V

型

NPT

（無穿通）

1200V-50A

型號（額定電流在

100

℃下測

定）。

HEXFRED

二極管是針對這些

IGBT

的配對使用而專門設(shè)計的。新一代

IGBT

在完

全關(guān)斷時不需要負(fù)柵極電壓，而拖尾效應(yīng)也比其它

IGBT

大大減輕。圖

3

示出了“拖尾效

應(yīng)”。這簡化了柵極驅(qū)動的設(shè)計。EMP

模塊還包括了一個具有負(fù)溫度系數(shù)的溫度傳感器 

以提供過熱保護。圖

4

示出了

EMP

模塊。 

 

3. 

“拖尾效應(yīng)”圖 

 

3

                                                                                                                     

                                                                         iNTERO 

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4. EMP

模塊

 

 

 

 

電流傳感接口、過流保護和信號調(diào)節(jié)對于正常的系統(tǒng)運行都非常關(guān)鍵。電流檢測性能直接

影響伺服應(yīng)用中的電機驅(qū)動性能。電流檢測錯誤、測量鏈延遲或者系統(tǒng)總精度太低，如參

考基準(zhǔn)不準(zhǔn)確或者

A/D

轉(zhuǎn)換的倍數(shù)不夠，都會不可避免地導(dǎo)致電機在低速運行或者在軸

制動的情況下出現(xiàn)不正常的抖動和不自然的電機噪聲。

 

 

iNTERO PI-IPM (PIIPM 50P12B004/PIIPM25P12B008)

采用的檢測電阻測量技術(shù)比其它方

法占用的面積少、成本也低一些。同時在功率模塊中還嵌入了分流元件，并且提供了所有

開爾文（

Kelvin

）連接點。

 

 

EMP

板中的電流檢測電阻分布在三個輸出相中，可對電機電流進行**檢測并可用于短

路保護。每個檢測電阻的頭直接鍵合在一個外部引腳上，從而降低寄生效應(yīng)并獲得高精度

反饋電壓。由于導(dǎo)熱系數(shù)非常低，因此在整個工作溫度范圍不需要補償。同時在負(fù)直流總

線線路上還有另一個同樣阻值的電阻提供設(shè)備保護。電流檢測信號送到

EDB

板，由

DSP

進

行信號調(diào)節(jié)和處理。

 

 

該模塊的封裝與流行的

EconoPack

外形機械上兼容。而且，放于其上的外部

PC

板的柱形

塑料螺母的高度與

EconoPack2

一樣。因此，該模塊可裝配到標(biāo)準(zhǔn)

EconoPack-2

封裝同樣

的機械位置，從而更容易地替換現(xiàn)有模塊。

 

 

這一新器件的一個重要特點是提供了控制板和模塊間所有反饋和命令信號的開爾文

（

Kelvin

）連接，而且所有發(fā)射極和電阻檢測都獨立于主功率通路。另一個優(yōu)點是所有來

往控制板的低功率信號都不受模塊功率布局中常見的寄生電感或電阻的影響。

 

 

 

4

                                                                                                                     

                                                                         iNTERO 

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模塊封裝示于圖

5

。其中

EDB

控制板已安裝在

EMP

模塊之上。由于在輸入處形成大電流

尖峰脈沖，因此直流總線功率引腳是其它功率引腳的兩倍大小。

 

 

 

 

 

 

5. EDB

控制板安裝在

EMP

模塊之上

 

 

 

 

模塊封裝采用了有名的標(biāo)準(zhǔn)

DBC

（直接銅鍵合）技術(shù)。在厚銅基座上有一個氧化鋁

（

Al

2

O

3

）襯底，兩側(cè)各有

300

µ

m 

銅墊片，

IGBT

和二極管管芯通過絲網(wǎng)印刷工藝直接焊

接在

DBC

上面。然后在這些管芯上鍵接

15mil

的鋁線（1mil=25.4

µ

m

）用于功率連接。然

后利用硅膠密封所有器件，以提供機械保護和電隔離。 

 

 

 

EDB

驅(qū)動控制板

 

 

EDB

驅(qū)動控制板是整個器件智能的核心，它提供了所有控制和驅(qū)動功能。同時，

EDB

板

還很自然地代替了模塊的上蓋。因此它同時起到機械密封和智能接口兩個功能。電源輸入

（

V

in

）是

EDB

板上所有電子器件需要的**外部電源連接。

 

 

 

 

5

                                                                                                                     

                                                                         iNTERO 

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6

EDB

控制板包含一個德州儀器公司的

40 MIPS DSP - TMS320LF2406A

，負(fù)責(zé)提供接口功

能和

A/D

轉(zhuǎn)換功能。與以前的

DSP

相比，

TMS320LF2406A

速度更快，

I/O

引腳更多，同

時還有啟動

ROM

、

CAN

接口和更快速的

A/D

轉(zhuǎn)換器。它可連接所有需要的外圍器件，

 

 

 

準(zhǔn)確地管理整個模塊器件功率部分所需要的所有模擬反饋和控制信號。同時還具有一個隔

離的增量編碼器或同步串行端口通訊部分，從而使其成為一個完整的用戶可編程的解決方

案。在

DSP

中已安裝了基本的開環(huán)軟件，同時串行接口允許設(shè)計人員方便地開發(fā)和下載

專用算法。

 

 

做為

IR

公司混合信號芯片組方法的一部分，在

EDB

中有三種不同的串行接口：

SCI

、

SPI

和

CAN

總線。串行通訊是通過異步端口實現(xiàn)的，同時霍爾效應(yīng)（

Hall Effect

）傳感器占用

了其它三個光電隔離輸入線，其輸入直接送到首三個輸入捕捉端口。異步串行端口

（

SCI

）的*大位速率為

2.5 Mbps

，而

SPI

（同步）速率則可達到

 10 Mbps

。為了容易地

實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)計算機串行端口的接口，可以選擇

SCI

，**需要的器件是一個線路驅(qū)動器，

用來將

RS232

電平和本應(yīng)用中使用的

RS485 3.3V

電平進行轉(zhuǎn)換。

 

 

電流檢測處理已包含在

EDB

控制板中，由電流檢測放大器、電平移動電路和一個濾波器

組成，濾波器的輸出會送到

DSP

的

A/D

轉(zhuǎn)換器。

 

 

EDB

包括一個反饋式電源，提供三個相互之間*小有

1.5kV

隔離的

15V

輸出，以及一個

5V

和

3.3V

輸出。

5V

輸出為所有低電壓電子元件供電，而

3.3V

線性穩(wěn)壓輸出則為

DSP

和

連接到

DSP

的一些模擬和邏輯元件供電。反饋式電源具有內(nèi)置的欠壓保護功能，以防止

所有電路在電壓過低時工作（建議*小電源電壓為

12V

）。

Vin

是

EDB

中所有電子元器

件需要的**外部電源。

 

 

在

EDB

中有三個采用小型

16W

封裝的

IR2213

柵極驅(qū)動器，每個可提供*大

2A

的吸入電

流和

2A

的柵極驅(qū)動能力。

EMP

子系統(tǒng)中使用的

IGBT

在完全關(guān)斷時不需要負(fù)柵極電壓。

 

 

直流總線和輸入電壓反饋電路連續(xù)檢測兩個電源線上的電壓：

Vin

和直流總線。低端柵極

驅(qū)動器直接由

Vin

電源線供電，除了其本身的欠壓保護（通常設(shè)在

8.5V

）外，沒有其它

控制針對這一電壓。如果這電壓水平不能驅(qū)動

IGBT

柵極，可以檢測

DSP

輸入電壓，并

迫使系統(tǒng)僅在

Vin

介于

10V

和

18V

時才工作，這也提供了過壓控制。

 

 

為保證系統(tǒng)正常運行，直流總線電壓必須不停在控制之下。一個電阻分壓器提供了

2.44mV/V

的分壓系數(shù)，覆蓋的*大可測電壓范圍約為

1100V

。為避免分壓電壓上的尖峰

造成錯誤檢測，在分壓器和電壓跟隨器

/

緩沖器之間有一個

1 kHz

的低通濾波器，其輸出

連接到

A/D

轉(zhuǎn)換器的其中一個輸入。