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如何进行正确的IPM短路保护设计?

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深圳逸盛通科技有限公司

时间 : 2018-09-28 21:36 浏览量 : 35

如何进行正确的IPM短路保护设计?


IPM(智能功率模块)内部集成了丰富的监测和保护功能,方便客户使用。其中最重要的就是短路保护功能。IPM使用带短路能力的IGBT做功率开关,而且自带过流保护电路,通过ITRIP脚监测过电流和短路电流,激活故障输出信号并关断所有6个IGBT,在简化客户设计的同时保证了系统可靠性。接下来我们简单介绍一下如何进行正确的IPM短路保护设计。

首先,每个IPM规格书都会给出其IGBT的短路额定值。以CIPOS MINI系列的IKCM30F60GA为例,其短路时维持间为5us,测试条件为VDC=400V,Tj=150°C,VDD=15V。注意当测试条件改变时,短路维持时间会相应改变。具体数值可查询相关资料。

当我们设计过流和短路保护电路时,应当考虑保护电路响应时间Tsc要小于IPM短路额定值。Tsc通常包含外部的RC滤波器时间常数和IPM内部的驱动器延迟时间。(英飞凌igbt厂家

在家用电器等应用中常使用单电阻采样电路,并通常使用RC低通滤波器消除采样电阻上的高频噪声。下图是采用单电阻采样的典型电路。

由于线路和电阻上的漏感,采样信号会畸变。假如我们常用下图的采样电阻,在T = 25°C, VDC = 125 V, diC/dt = 590 A/µs时测得波形如下:

测试结果: Uind = 7 V,所以得到漏感Lsh = 7V / 590A/µs = 11.9 nH。用频域的传递函数来表述采样信号,因为R1≫RS+s∙Lσ,可以得到 v_{Sense}=i·RSfrac{1+sfrac{Lsigma}{RS}}{1+sR1·C1}  。显然,当 frac{1+sfrac{Lsigma}{RS}}{1+sR1·C1}=1 时,滤波效果最理想。因此我们可以得到 frac{Lsigma}{RS}=R1·C1 。带入前面得到的数据:Ls =11.9 nH,RS = 30 mΩ,取R1 = 100 Ω,得到C1 = 3.966 nF,所以取 C1 = 3.3 nF。经过实测我们发现使用100 Ω和3.3 nF会引起轻微的过补偿:

经过微调,使用470 Ω 和680 pF得到更好的结果:

由此,我们得到外部的RC滤波器时间常数为0。32µs,当然在实际应用中考虑到器件参数一致性,需要预留一定余量,推荐客户使用1µs左右的时间常数,通常不超过2µs。

同样以CIPOS MINI系列的IKCM30F60GA为例,其内部驱动器相应短路信号延迟时间为1。47µs,测试条件为Tj=25°C,VDD=15V。

考虑到驱动器动态特性有温漂,我们在全工作温度范围内做了测试,结果如下:

可见IPM内部驱动器短路保护延迟时间保证小于2µs。所以这个短路保护电路的响应时间Tsc是3µs,IPM是安全的。

其余常见的采样电路有带二极管解耦的3电阻采样:

这里的采样电阻 R_{SH}=frac{V_{IT.TH}+V_{f}}{I_{OC}} ,滤波电路时间常数由两级时间常数相加得到(100Ωx1n)+(1.8kΩx 1n) = 1.9µs。

如果采用带比较器的过流保护电路,则需要小心选择RC常数。总滤波电路时间常数除了两级RC,还要考虑比较器响应时间。


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