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智能功率模块的光隔离设计

Jose Espina?? Vishay Intertechnology公司?? 2013年11月25日 ?? 收藏0
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。
图1:6PAK封装。

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。
图2:典型IPM电机驱动应用的简化框图。

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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第1页:高速光耦是隔离大功率开关的理想应用

第2页:在确定IPM驱动时需要注意什么


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智能功率模块? 光隔离?

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