智能功率模块的光隔离设计

多年来，绝缘栅双极晶体管(IGBT)一直保持着双极晶体管的优点和MOSFET易于控制的特点。因此，尽管一些可能替代IGBT的技术发展很快，我们大概还会继续使用IGBT一些年头。现在，还没有其他达到实用水平并且投产的器件能够应对IGBT功率水平的开关应用。 虽然这些应用的功率很高，但人们想把元器件集成起来的劲头仍然十足。设计者现在已经实现了多个层次的集成。一个办法是简单地把多个IGBT集成进一个标准封装里，如下图所示的“6PAK”模块。

图1：6PAK封装。
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大功率IGBT集成的下一步是实现智能功率模块(IPM)，这种模块包括IGBT、IGBT驱动、故障探测和容错控制电路。在IPM模块里，这些功能全都装进一个封装里。IPM集成了除定时信号以外的全部元器件，定时信号通常由低压微控制器、FPGA、CPLD或定制ASIC来提供，如下图所示。

图2：典型IPM电机驱动应用的简化框图。
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微控制器和FPGA对IGBT和IPM等大功率开关设备产生的噪声非常敏感。出于安全和性能的考虑，需要把产生很多噪声的IPM传动系统与敏感的控制电路进行电隔离，这种应用恰好是通常被称为IPM驱动的一类高速光耦的理想应用。 从实现功能的角度来看，虽然有可能在逻辑控制电路不与工业交流驱动、太阳能逆变器和其他高输出功率的开关设备的高压/大功率输出级隔离的情况下实现可以接受的性能，但是有很多理由说明这种方法是不可取的。 首先，大多数国内和国际的电气安全法规不允许取消存在可能致命的高电压电路与用户可以碰到的低压控制电路之间的隔离措施。其次，虽然有可能通过足够的大量投入和昂贵的测试，实现非隔离的解决方案，也会毫无必要地使系统复杂化。 大功率开关系统的输出级充斥着高频谐波、讨厌的地电位差、地电流和近场辐射。这些都是高频、大功率开关的副产品，会对低压控制电路的工作造成不利影响。因此，如果一个有经验的工程师不用隔离，能实现可以工作的设计方案吗？答案是可以，但是会不必要地增加复杂度、设计周期和设计风险。合法地使用一些IPM驱动，可以大大简化设计，同时满足安全法规的要求。 那么，一个有经验的工程师能不能在不进行隔离的情况下实现可以工作的设计呢？可以的，但是复杂度、设计周期和设计风险都会升高，而且无此必要。IPM驱动可以大大简化设计，同时满足安全管理机构的要求。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 在确定IPM驱动时需要注意什么 除了价格和封装等明显的因素，建议还要考虑两个函数值：开关速度和抗噪声能力。对开关速度来说，传播延迟是关键参数，但不是唯一的参数。要求IPM驱动具有什么样的开关速度是由考虑使用的IPM模块所要求的开关速度，或是脉宽调制(PWM)动态范围所决定的。 例如，用20kHz的开关周期(常用于基于IGBT的IPM)和要求开关脉冲的调制范围达到10%~99%的设计，所需要的最小脉冲宽度大约是5μs。相应地，如果要求最小脉冲宽度是1%，就要求最小脉冲的时间为0.5μs。相关的计算公式如下： t = (1/开关频率)*要求的最小脉冲宽度 一个很好的经验法则是，最大传播延迟应当小于所需的最小脉冲宽度。 下一个需要重视的开关问题是死区时间。大多数开关应用把其输出开关布置成“推挽式”结构。在这类开关布局中，极其重要的一点是确保低边开关在高边开关导通前关断，反之亦然。如果两个开关同时导通，在高压电源上就会产生短路。 在最好情况下，如果能把短路限定在非常短的时间内，就会在输出功率器件上产生相当大的应力。在最糟的情况下，会导致冒烟或起火。 为了尽量减小这个短时的高电流，即通常所说的“击穿”，一个开关的导通时间点要迟于对应开关关闭的时间点。在这两个开关动作之间的时间被称为死区时间。当两个开关都关闭的时候，就不会出问题。结果就是，增加死区时间会降低电机驱动或太阳能逆变器的效率。因此，最好是让死区时间达到能防止击穿的要求就好，但是不能多。 最优的死区时间应该是零，即一个开关立刻关断，另一个开关立刻导通。在仿真的时候有可能实现这种情况，但实际的元器件可不是这样的。对于IPM驱动，如果忽略开关本身的任何延迟，当tphl(高边到低边的传播延迟)恰好等于tplh(低边到高边的传播延迟)时，可以要求零延迟。 再次重申，由于tphl和tplh间总是有点变化，上面说的不是实际当中存在的情况。因而，有必要先计算最大Δtphl = tphl(max)-tphl(min)，最小Δtplh = tplh(min)-tplh(max)。有了这两个数以后，就可以用最大Δtphl和最小Δtplh的差值做为IPM驱动的最大死区时间(最大死区时间= 最大Δtphl-最小Δtplh)。 简而言之，大多数开关频率在20kH以下的电流IPM驱动应用使用数据速率为1Mbps/1MBd或5Mbps/5MBd的IPM驱动就可以了。 在确定IPM驱动时需要考虑的另一个重要内容是，不仅要能隔离危险的电路，还要对IPM模块等噪声电路和敏感的控制电路之间的噪声进行隔离。噪声隔离可不像安全隔离那么容易确定。 在考虑这个最重要的功能时，可以用两个参数来确定IPM驱动的数值。一个参数是IPM初级侧到次级侧的耦合电容。耦合电容更大，从噪声隔离的角度来看，IPM的效果就越差。然而，大多数给定光耦的电容都远小于1pF。这种测量很难做，也很难理解。 按理说，衡量器件的噪声隔离能力的更有意义的参数是共模瞬态抑制。测量这个参数的设定过程如下。

图3：CMTI的测试搭建过程。
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测试方法在概念上是十分简单的。先把一个高瞬态电压加到初级侧和次级侧中间，然后测量瞬态电压“泄漏”了多少在隔离势垒上。IPM模块的CMTI应当大于10kV/us。 在设计光隔离器的过程中，设计者还要注意其他参数，例如工作温度、隔离电压大小等，尤其是对IPM驱动来说最为重要的定时和噪声隔离问题。在设计一款新的大功率开关产品时，细心地应用光隔离IPM驱动能够极大提高可靠性，并降低总成本。 作者简介

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Jose Espina现在担任Vishay Intertechnology光耦产品的高级产品市场经理。他拥有San Jose州立大学的电子工程学士学位和经济学硕士学位。

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