講座導(dǎo)語

DIPIPM是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機(jī)于1997年正式推向市場(chǎng)，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。本講座主要介紹DIPIPM的基礎(chǔ)、功能、應(yīng)用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。

3.3

DIPIPM應(yīng)用電路

通過前幾期的技術(shù)講座，我們了解了DIPIPM基本結(jié)構(gòu)?內(nèi)置功能?如何選型?如何功耗仿真等。從本節(jié)開始介紹DIPIPM的典型應(yīng)用接口電路以及PCB設(shè)計(jì)。從應(yīng)用的角度來看，DIPIPM的優(yōu)勢(shì)在于擁有更少的外圍器件?設(shè)計(jì)上手快；DIPIPM從600V/2A~75A到1200V/5A~75A在內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)和外圍接口電路的設(shè)計(jì)上都是基本一致的，只要使用過其中任意一款DIPIPM，就可以非常容易拓展到不同功率等級(jí)的產(chǎn)品線，系列擴(kuò)展簡單?節(jié)省研發(fā)資源。

3.3.1&3.3.2

第11講：DIPIPM應(yīng)用電路（1）

3.3.3

控制邏輯輸入信號(hào)（PWM）

輸入PWM信號(hào)邏輯電平為高有效(3～15V TTL/MOS)。內(nèi)置HVIC具有電平轉(zhuǎn)移功能(level shift function)，使得控制信號(hào)可直接來自于MCU/DSP（無需光隔）。

由于控制信號(hào)端子內(nèi)置了3.3kΩ的下拉電阻，所以在模塊外部無需再外加下拉電阻，但Fo信號(hào)線需要通過一10kΩ電阻上拉至5V。

DIPIPM對(duì)于輸入信號(hào)的最小脈寬有限制。如果輸入信號(hào)脈寬（開通和關(guān)斷）小于其限制值，DIPIPM可能不響應(yīng)或不能正常工作。對(duì)于其具體限制值，請(qǐng)參考相應(yīng)的規(guī)格書。（不同電流額定值的產(chǎn)品，最小脈寬可能是不同的。）

圖11 典型DIPIPM內(nèi)部輸入電路（超小型為例）

控制輸入端的RC濾波（圖11中虛線部分）容量的選擇取決于應(yīng)用系統(tǒng)的PWM控制方式和PCB的引線阻抗?？刂戚斎攵俗釉谀K內(nèi)部接有3.3kΩ（最小值）的下拉電阻，因此，當(dāng)外接濾波電阻時(shí), 請(qǐng)注意在輸入端子上的控制信號(hào)壓降（它應(yīng)滿足控制電壓閾值的要求，見表3和表4）。應(yīng)確保控制信號(hào)輸入電壓閾值：

開通信號(hào)電平>Vth(on)Max

關(guān)斷信號(hào)電平

表3 DIPIPM控制閾值電壓（SLIMDIP為例）

表4 DIPIPM控制閾值電壓（第6代大型DIPIPM為例）

3.3.4

VOT接口電路

VOT功能是通過LVIC內(nèi)置的溫度傳感器來檢測(cè)LVIC上的溫度，然后再將傳感器信號(hào)輸出至外部端子，如下圖12所示IGBT和續(xù)流二極管的熱量通過封裝樹脂和外部散熱器傳導(dǎo)到LVIC，中間傳輸需要時(shí)間，因此LVIC上的溫度不能及時(shí)有效地反映出功率芯片溫度的快速上升（例如：電機(jī)堵轉(zhuǎn)、短路）。建議在諸如因散熱系統(tǒng)受損或持續(xù)過載運(yùn)行而引起的較慢溫度升高時(shí)使用此功能進(jìn)行保護(hù)，也可以將VOT輸出的溫度信號(hào)作為控制信號(hào)，在溫度超過一定限值時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行限降頻等保護(hù)時(shí)采用。

圖12 VOT溫度采樣點(diǎn)及熱傳遞路線

下圖13是VOT接口電路圖，建議加入5.1kΩ的下拉電阻以獲得線性的輸出特性曲線。當(dāng)下拉電阻加在VOT和VNC（控制地）之間時(shí)，流過它的電流（VOT輸出電壓/下拉電阻值）將疊加在LVIC的電路電流上。如果將VOT僅用于檢測(cè)高于室溫的溫度時(shí)，不需要再加入下拉電阻。

圖13 使用5V的MCU VOT輸出接口電路

在使用3.3V MCU等低電壓控制器的情況下，如果需要將VOT的保護(hù)動(dòng)作值設(shè)置在MCU控制電源電壓值（如3.3V）或更高時(shí)，可以采用電阻分壓電路將VOT輸出電壓進(jìn)行分壓DVOT=VOT*R2/(R1+R2)，其中R1+R2≈5.1kΩ，然后再輸入至控制器的A/D轉(zhuǎn)換器（見圖14）。對(duì)于是否還需要鉗位二極管，考慮到被分壓后的輸出電壓通常不會(huì)再超過控制器的電源電壓，一般不必要再加入鉗位二極管，但具體要通過測(cè)試分壓以后的電壓值再得出結(jié)論。

圖14 采用3.3V的MCU VOT輸出接口電路

圖15 VOT輸出電壓與LVIC溫度關(guān)系曲線（以超小型為例）

VOT電壓與LVIC溫度之間的關(guān)系曲線如上圖15所示，成線性關(guān)系。功率芯片產(chǎn)生的熱量會(huì)通過散熱器和模塊封裝傳導(dǎo)到LVIC，那么LVIC溫度Tic（VOT輸出）、殼溫Tc（規(guī)格書上定義的芯片下方溫度）、結(jié)溫Tj之間的關(guān)系則依賴于系統(tǒng)的冷卻條件、散熱器、控制方法等。散熱條件不同，關(guān)系曲線也會(huì)有所變化。所以當(dāng)我們?cè)O(shè)定保護(hù)閾值溫度時(shí)，需要根據(jù)具體的系統(tǒng)測(cè)試得出上述關(guān)系曲線。在設(shè)定保護(hù)閾值溫度Tic時(shí)，重要的是要確保DIPIPM外殼溫度和結(jié)溫滿足Tc≤100℃/125℃和Tj≤150℃/175℃的條件。

3.3.5

短路保護(hù)電路

DIPIPM采用外接的旁路電阻來檢測(cè)電流，如圖16所示。通過比較CIN端子上的來自于旁路電阻上的反饋電壓和SC動(dòng)作參考電壓，控制IC內(nèi)部的保護(hù)電路能夠捕捉到短路電流，并自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)功能。SC動(dòng)作電壓閾值Vsc(ref)為0.48V（典型值），應(yīng)據(jù)此來選擇適合的旁路電阻阻值。

圖16 1旁路電阻時(shí)的接口電路舉例

圖17 旁路電阻電感

1

旁路電阻的計(jì)算和短路保護(hù)電路

旁路電阻RShunt=VSC(ref)/ISC，其中VSC(ref)為短路動(dòng)作電壓參考值0.48V±5%（CIN管腳的觸發(fā)電平，具體請(qǐng)參考相關(guān)產(chǎn)品規(guī)格書），通常情況下短路保護(hù)動(dòng)作電流的最大值ISC(max)應(yīng)小于IGBT額定電流的1.7倍。例如：以PSS15S92*6-AG為例，ISC(max)應(yīng)設(shè)為15x1.7=25.5A。

為了避免DIPIPM因過高浪涌電壓而損壞，要求NU/NV/NW管腳到功率地之間的電感（包括旁路電阻的電感在內(nèi)）在10nH以內(nèi)，上圖17是采用引線的陶瓷電阻和貼片電阻寄生電感的對(duì)比，為減小電感建議旁路電阻使用貼片功率電阻。

由于逆變部分控制策略及DIPIPM種類不同，其采取的短路保護(hù)電路也不盡相同。圖18是采用3旁路電阻的短路保護(hù)接口電路例，其典型特點(diǎn)是采用了3個(gè)旁路電阻及3個(gè)比較器；圖19是采用了VSC功能作為短路保護(hù)信號(hào)的短路保護(hù)電路案例，該電路適用于配置了VSC功能的DIPIPM，如大型DIPIPM?大型DIPIPM+等。圖20是采用了運(yùn)算放大電路的短路保護(hù)檢測(cè)電路。

圖18 3-Shunt短路保護(hù)接口電路例

圖19 采用VSC功能的短路保護(hù)電路（第6代大型為例）

圖20 采用放大器電流檢測(cè)電路

2

DIPIPM外部短路檢測(cè)延時(shí)

不管采用何種短路檢測(cè)電路，必須要保證RShunt-Cin之間的電路延時(shí)為1.5~2μs。

為什么外部短路檢測(cè)延時(shí)時(shí)間t1=1.5~2μs呢？是為了防止噪聲干擾引起的短路保護(hù)誤動(dòng)作，需要在短路檢測(cè)電路中加入濾波器，應(yīng)根據(jù)噪聲干擾的持續(xù)時(shí)間和DIPIPM的短路安全工作區(qū)（SCSOA）來設(shè)置DIPIPM外部短路檢測(cè)延時(shí)時(shí)間。因此，從發(fā)生短路動(dòng)作電流到IGBT柵極關(guān)斷之間總的時(shí)間延遲為：tTOTAL=t1+t2（DIPIPM外部短路檢測(cè)延時(shí)時(shí)間t1=1.5~2μs，t2=控制IC傳輸延遲時(shí)間），下表5為典型DIPIPM內(nèi)部IC傳輸延時(shí)時(shí)間（以第6代超小型為例）。

表5 典型DIPIPM內(nèi)部時(shí)間延遲（第6代超小型為例）

圖21 PSS15S92*6-AG安全工作區(qū)曲線（SCSOA）

以PSS15S92*6-AG舉例來說，僅當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)間小于2.7μs時(shí)，它能夠可靠關(guān)斷大約5.8倍額定電流值的短路電流，如圖21所示。由于短路安全工作區(qū)（SCSOA）會(huì)隨控制電源電壓（VD）、直流母線電壓（VCC）等的不同而變化，因此，設(shè)定RC濾波器的時(shí)間常數(shù)時(shí)要考慮一定的裕量，tTOTAL=t1+t2= 2μs+0.5μs=2.5μs<2.7μs的情況下，DIPIPM在發(fā)生短路時(shí)，可以可靠保護(hù)。

短路保護(hù)時(shí)只有下橋IGBT自動(dòng)關(guān)斷，當(dāng)Fo結(jié)束后內(nèi)部短路保護(hù)電路被復(fù)位。關(guān)于故障信號(hào)Fo的脈寬：對(duì)于SLIMDIP和超小型DIPIPM來說是固定的tFO=20μs（Min），對(duì)于小型DIPIPM和大型DIPIPM等來說是由外部的CFO來設(shè)定的(如tFO=2.4ms@CFO=22nF)，具體請(qǐng)參考相關(guān)應(yīng)用手冊(cè)。DIPIPM只能在非重復(fù)短路情況下實(shí)現(xiàn)保護(hù)，這要求系統(tǒng)MCU在檢測(cè)到故障信號(hào)后切斷所有PWM信號(hào)。

本講總結(jié)

本節(jié)主要介紹了DIPIPM的典型應(yīng)用電路。按照功能劃分主要為以下幾個(gè)部分：15V電源、自舉電路、控制邏輯輸入信號(hào)（輸入PWM信號(hào)）、VOT（溫度輸出）功能、電流檢測(cè)和短路保護(hù)電路等，良好的電路設(shè)計(jì)是DIPIPM乃至整個(gè)功率變換裝置可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。

主要術(shù)語說明

1:DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊(Dual-in-line Intelligent Power Module)；

2trade_mark:、SLIMDIP及DIPIPM+均為三菱電機(jī)株式會(huì)社注冊(cè)商標(biāo)。

主要參考文獻(xiàn)

[1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”

[2] Mitsubishi electric, “Super mini DIPIPM Ver.6 Series Application note”

[3] Mitsubishi electric, “Mini DIPIPM with BSD Series Application note”

[4] Mitsubishi electric, “1200V Large DIPIPM Ver.6 Series Application note”

關(guān)于三菱電機(jī)

三菱電機(jī)創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財(cái)富》世界500強(qiáng)排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財(cái)年，集團(tuán)營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術(shù)主導(dǎo)型企業(yè)，三菱電機(jī)擁有多項(xiàng)專利技術(shù)，并憑借強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和良好的企業(yè)信譽(yù)在全球的電力設(shè)備、通信設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、電子元器件、家電等市場(chǎng)占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場(chǎng)，三菱電機(jī)從事開發(fā)和生產(chǎn)半導(dǎo)體已有60余年。其半導(dǎo)體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動(dòng)汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩