智能功率模块在VVVF变频器设计中的选用

【摘　要】　将智能功率器件(IPM)用于VVVF变频器，能给用户产品的开发带来很大的便利，从IPM的内部功能出发，讨论了IPM的特点以及在设计VVVF变频器时如何选用IPM的问题。
　　【关键词】　VVVF变频器　智能功率模块

Selection Intellect Power Model(IPM) on Designing the VVVF Inverter

Miao Xiaoyan　Wang Xiaochun
(Academy for Mechanical Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049)

　　【Abstract】　The IPM could be used in the VVVF inverter for the users in developing their products conveniently.This paper analysis the function and characteristics of the IPM,also gives the method to select the IPM on designing the VVVF inverter.
　　【Keywords】　VVVF inverter　IPM　type select

1 前　言
　　智能功率模块(IPM)是先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成。由于采用了能连续监测功率器件电流的，有电流传感功能的IGBT芯片，从而实现高速的过流保护和短路保护。IPM集成了过热和欠压锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。
　　VVVF(可变压可变频)变频器是IPM主要的应用。本文从IPM的特点出发，讨论了在设计VVVF变频器时，IPM的选用问题。

2 智能化晶体管模块
　　日本三菱电机公司的IPM有四种电路形式，单管封装(H)、双管封装(D)、六合一封装(C)、七合一封装(R)，如图1所示。其中C型和R型是专为变频器使用设计的。

图1　三菱IPM的封装

　　IPM有精良的内置保护电路以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏，所设置的故障检测和速断装置允许在不牺牲可靠性的条件下，最大限度地利用功率元件的容量。内置保护功能的框图如图2所示：

注：V1、I、FO、C 为控制端子：C、E为主端子

图2　IPM的保护功能框图

　　如果IPM模块其中一种保护电路动作，IGBT栅极驱动单元就会关断电流，并输出一个故障信号(FO)。
　　IPM的主要优点在于：
　　(1) 由于IPM集成了驱动和保护电路，使用户产品的设计变得相当容易，缩短了产品上市的时间。
　　(2) 自动化的IPM组装和测试手段提高了系统的可靠性，其他还包括减少所需采购、存储和组装的元件数等优点。
　　(3) 由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减少，因而系统尺寸也减少。
　　(4) 所有的IPM都采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相联的栅控接口，在产品系列扩充时无须另行设计驱动电路。
　　(5) IPM在故障情况下的自保护能力，减低了器件在开发和使用中过载情况下的损坏机会。

2 IPM的选用
　　IPM在选用时，首先是根据变频装置的容量(电动机的额定功率)，同时也要考虑供电电源容量，确定其额定值和最大值，然后选择具体型号。选型时，有两个主要方面需要权衡。根据IPM的过流动作数值以确定峰值电流及适当的热设计以保证结温峰值永远小于最大结温额定值，使基板的温度永远低于过热动作数值。
　　峰值电流依电机的功率额定值而定。下表是根据OC动作数值和电机峰值电流而给出的交流220V电机推荐使用的IPM类型。电机峰值电流是基于变频器和电机工作的效率、功率因数、最大负载和电流脉动而设定的。电机电流最大峰值可由下式计算：

式中：P＝电机功率(W)；
　　　O_L＝变频器最大过载系数；
　　　λ＝电流脉动因数；
　　　η＝变频器的效率；
　　　_F＝功率因数；
　　　V_AC＝交流线电压(V)。

交流220V电机额定值对OC保护设置的要求表

电机的额定
功率(kW)I_C(峰值)
(A)可用的IPM型号最小OC动
作数值(A) 0.46.4PM10CSJ06012 0.7510.7PM15CSJ06018 1.517.0PM20CSJ06028 2.223.3PM30CSJ060或RSF39 3.736PM50RSA060或RSK65 5.551PM75RSA060115 7.570PM75RSA060115 1198PM100CSA060或RSA158 15129PM150CSA060或RSA210 18.5161PM150CSA060或RSA210 22191PM200CSA060或3×DSA310 30244PM300DSA060×3390 37308PM400DSA060×3500 45371PM400DSA060×3500 55456PM600DSA060×3740 　　例如：电源V_ac＝220V交流，电机P ＝3.7kW,O_L＝150%,λ＝120%,η＝0.9,_F＝0.76,则I_c(峰值)＝36.1A。
　　依据上表的推荐型号PM50RSA060规定的最小OC动作数值是65A，所以这个型号能够满足第一个要求，选定后，还需通过适当的热设计来满足其热要求。在具体的应用中，应针对器件手册中给定的参数如：最大额定值，特性参数(电气特性，热特性，机械特性)以及推荐的工作条件进行系统设计。

3 结　论
　　IPM集成了驱动和保护电路，给用户产品的设计和开发带来了很大的便利，VVVF变频器是其典型的应用场合。在选用IPM时，要根据IPM过流动作数值来确定其峰值电流。

作者单位：西安交通大学机械工程学院　西安 710049

参考文献
1　第三代IGBT和智能功率模块应用手册.三菱电机
2　宋凌峰，宋　凯，宋立伟.智能功率模块及其在变频调速中的应用.微电机，1997；(4)：15～18

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