智能功率器件的原理与应用

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智能功率器件的原理与应用

摘要：目前，功率器件正朝着集成化、智能化和模块化的方向发展。智能功率器件为机电一体化设备中弱电与强电的连接提供了理想的接口。介绍了智能功率器件的特点、产品分类、工作原理及典型应用。
关键词：智能功率器件；功率开关调节器；功率模块；变频器
　 1 智能功率器件的特点及产品分类
1.1 智能功率器件的特点
所谓智能功率器件，就是把功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能力的新型器件。由于这类器件可代替人工来完成复杂的功率控制，因此它被赋予智能的特征。例如，在智能功率器件中，常见的保护功能有欠电压保护、过电压保护、过电流及短路保护、过热保护。此外，某些智能功率器件还具有输出电压过冲保护、瞬态电流限制、软启动和最大输入功率限制等保护电路，从而大大提高了系统的稳定性与可靠性。
智能功率器件具有体积小、重量轻、性能好、抗骚扰能力强、使用寿命长等显著优点，可广泛用于单片机测控系统、变频调速器、电力电子设备、家用电器等领域。
1.2 智能功率器件的产品分类
智能功率器件可分成两大类，即智能功率集成电路与智能功率模块。
1）智能功率集成电路
智能功率集成电路的种类很多，下面仅列出几种典型产品。
——高压功率开关调节器（High Voltage Power Switching Regulator）。例如，美国摩托罗拉公司研制的MC33370系列产品。
——智能功率开关（IntelligentP ower Switch）。例如，德国西门子（Siemens）公司生产的Smart SIPMOS智能功率开关，产品型号有BTS412B、BTS611等。
2）智能功率模块
智能功率模块是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的商品化部件。模块大多采用密封式结构，以保证良好的电气绝缘和抗震性能。用户只须了解模块的外特性，即可使用。因此，它能简化设计工作，缩短系统的研制周期。国内外许多著名的模块厂商的产品都通过了IEC950（国际电工委员会）或UL1950（美国）、GS（德国）、CE（欧共体）安全认证，其质量可靠、安全性好、抗骚扰性强、符合电磁兼容性（EMC）标准、便于维修，上机合格率可达100％。
例如，日本三菱电机公司最近开发的IPM系列第三代智能功率模块，其用途极为广泛。最近，国内也相继开发出变频空调器专用智能功率模块、电动机智能功率模块等新产品。
图1给出了各种功率器件的工作频率、容量的范围 及 其 应 用 领 域 。 其 中 ， SCR为 普 通 晶 闸 管 ， Triac为 双 向 晶 闸 管 ， GTO代 表 可 关 断 晶 闸 管 ， Tr Mod表 示 普 通 功 率 管 模 块 ， MOSFET表 示 功 率 场 效 应 管 ， IGBT MOD IPM代 表 IPM系 列 的 IGBT智 能 功 率 模 块 ， 其 中 的 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor） 为 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 － 双 极 型 晶 体 管 的 英 文 缩 写 。 由 图 可 见 ， IGBT智 能 功 率 模 块 的 工 作 频 率 远 高 于 普 通 功 率 管 模 块 ， 而 其 容 量 又 比 功 率 场 效 应 管 提 高 1～ 2个 数 量 级 。




图1 各种功率器件的性能及应用领域
2 智能功率集成电路的原理与应用
2.1 MC33370系列高压功率开关调节器
MC33370系列是美国Motorola公司于1999年研制的适配微控制器（MCU）的高压功率开关调节器，它包括MC33369～MC33374，根据封装形式的不同，共有17种型号。可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成150W以下的高压隔离式AC/DC电源变换器。
MC33370系列产品的内部框图如图2中虚线方框所示。各引脚的功能如下：




图 2 MC33370系 列 产 品 的 内 部 框 图
UCC为工作电源电压的输入端。
FB为反馈端。
GND为地。
SCI为状态控制端，只需配少量外围元件，即可实现以下6种状态控制方式：
1）利用按键触发方式来选择工作模式或备用模式；
2）配微控制器进行关断操作；
3）给状态控制器配以低压保护电路，使之在模式转换过程中不会引起开关电源输出电压的波动；
4）利用数字信号进行控制；
5）接上电延时电路；
6）禁止对状态控制器进行操作。
D为功率开关管漏极引出端。
MC33370的内部主要包括9部分：
1）振荡器；
2）并联调整器／误差放大器；
3）脉宽调制比较器与脉宽调制触发器；
4）外部关断电路及关断触发器；
5）电流极限比较器及功率开关管；
6）启动电路；
7）欠压锁定电路；
8）过热保护电路；
9）状态控制器。 由MC33374T／TV构成的15V／3.5A、52W开关电源的电路如图3所示。其交流输入电压u的允许变化范围是92V～276V。VD1～VD4为整流桥。初级保护电路由RC吸收电路（R2、C2）和钳位保护电路（VDZ、VD5）构成，能有效抑制高频变压器漏感产生的尖 峰 电 压 ， 保 护MC33374内 部 的 功 率 开 关 管 不 受 损 坏 。VDZ采 用 P6KE200A型 瞬 态 电 压 抑 制 器 （ TVS） ， 图 中 阻 容 元 件R1、C3的 序 号 空 缺 ， 根 据 需 要 亦 可 将R2、C2的 串 联 电 路 ， 改 成 由R1(20 kΩ 、 2 W)和C3（ 0.1 μ F、 400 V） 并 联 后 再 串 以 超 快 恢 复 二 极 管 ， 组 成R、C、VD型 保 护 电 路 。C5为UCC端 的 旁 路 电 容 。 SB为 控 制 开 关 电 源 通 、 断 状 态 的 按 键 。VD6与C6组 成 反 馈 绕 组 输 出 端 的 高 频 整 流 滤 波 器 。 次 级 高 频 整 流 管 采 用 MBR20100CT（ 20 A／ 100 V） 型 肖 特 基 二 极 管 。 此 管 属 于 共 阴 对 管 ， 两 个 阴 极 在 内 部 短 接 ， 使 用 时 需 将 两 个 阳 极 在 外 部 连 通 ， 作 并 联 接 法 。 由C8、C11、L、C12和C13组 成 输 出 滤 波 电 路 。 设 计 印 制 板 时 还 可 预 先 留 出C9、C10的 位 置 ， 以 便 由C8～C11这 4只 电 容 并 联 成 滤 波 电 容 ， 进 而 使L0减 小 到L0/4。




图3 由MC33374T/TV构成52W开关电源的电路
由可调式精密并联稳压器TL431B构成外部误差放大器，它还与光耦合器MOC8103组成了光耦反馈电路。其稳压原理是当输出电压Uo发生波动时，经R5、R6分压后得到的取样电压就与TL431B中的2.5V基准电压进行比较，产生外部误差电压Ur′，再通过光耦合器使第2脚的反馈电流IFB产生相应的变化，并以此调节输出占空比，达到稳压目的。C14用来滤除由高频变压器初、次级耦合电容所造成的共模骚扰。C7为控制环路的补偿电容。
2.2 BTS412B型智能功率开关
BTS412B型智能功率开关采用TO-220封装，它有5个引出端：
UBB为工作电源电压端。
GND为公共地。
IN为控制信号输入端。
ST为状态输出端。
OUT为功率输出端。
芯片内部主要包括逻辑电路、电压检测电路、整流器、充电泵、功率MOSFET。此外，还有防止静电放电（ESD）的保护电路，过电压保护、过流保护、负载开路及短路保护电路，对电感负载的保护电路，对功率MOSFET栅极进行保护的电路。
BTS412B的主要技术参数为UBB>50V，连续输出的负载电流IL=1.4A，最大峰值电流ILIMIT=25A，导通电阻RON=0.25Ω。
使用两片BTS412B作高端开关，另用两只BUZ71L型50V、14A、40W的N沟道场效应管作低端开关，可构成如图4所示的H桥双向直流电动机驱动电路。BUZ71L的导通电阻仅为0.1Ω。当发生故障时，从ST端输出的状态信号就通过晶体管JE9013驱动LED发光，作为报警指示。




图4 H桥 双 向 直 流 电 动 机 驱 动 电 路
3 智能功率模块的原理与应用
由日本三菱电机公司开发出的IPM系列产品，属于第三代智能功率模块。它采用第三代IGBT来代替传统的功率MOSFET和双极型达林顿管，并配以功能完善的控制及保护电路，构成了一种理想的高频软开关模块。这类模块特别适用于正弦波输出的变压变频（VVVF）式变频器中。
IPM系列产品的内部框图如图5所示。模块内部主要包括欠压保护电路、驱动IGBT的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。该系列产品配16位单片机后构成的通用VVVF变频器的原理图，如图6所示。




图5 IPM系列产品的内部框图




图6 通用VVVF变频器的原理图