[關(guān)鍵詞]智能功率器件 功率開關(guān)調(diào)節(jié)器 功率模塊 變頻器

摘要：目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機(jī)電一體化設(shè)備中弱電與強(qiáng)電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點(diǎn)、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應(yīng)用。

　　目前，功率器件正朝著集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機(jī)電一體化設(shè)備中弱電與強(qiáng)電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點(diǎn)、產(chǎn)品分類、工作原理及典型應(yīng)用

1  智能功率器件的特點(diǎn)及產(chǎn)品分類

1.1  智能功率器件的特點(diǎn)

    所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護(hù)電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件，由于這類器件可代替人工來完成復(fù)雜的功率控制，因此它被賦予智能的特征。例如，在智能功率器件中，常見的保護(hù)功能有欠電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、過電流及短路保護(hù)、過熱保護(hù)。此外，某些智能功率器件還具有輸出電壓過沖保護(hù)、瞬態(tài)電流限制、軟啟動(dòng)和最大輸入功率限制等保護(hù)電路，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

    智能功率器件具有體積小、重量輕、性能好、抗騷擾能力強(qiáng)、使用壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于單片機(jī)測控系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、電力電子設(shè)備、家用電器等領(lǐng)域。

1.2  智能功率器件的產(chǎn)品分類

    智能功率器件可分成兩大類，即智能功率集成電路與智能功率模塊。

    1 ）智能功率集成電路

    智能功率集成電路的種類很多，下面僅列出幾種典型產(chǎn)品。

    高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器（ High Voltage Power Switching Regulator ）。例如，美國摩托羅拉公司研制的 MC33370 系列產(chǎn)品。

    智能功率開關(guān)（ InbbbligentP ower Switch ）。例如，德國西門子（ Siemens ）公司生產(chǎn)的 Smart SIPMOS 智能功率開關(guān)，產(chǎn)品型號(hào)有 BTS412B 、 BTS611 等。

    2 ）智能功率模塊

    智能功率模塊是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實(shí)現(xiàn)智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結(jié)構(gòu)，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能。用戶只須了解模塊的外特性，即可使用。因此，它能簡化設(shè)計(jì)工作，縮短系統(tǒng)的研制周期。國內(nèi)外許多著名的模塊廠商的產(chǎn)品都通過了 IEC950 （國際電工委員會(huì)）或 UL1950 （美國）、 GS （德國）、 CE （歐共體）安全認(rèn)證，其質(zhì)量可靠、安全性好、抗騷擾性強(qiáng)、符合電磁兼容性（ EMC ）標(biāo)準(zhǔn)、便于維修，上機(jī)合格率可達(dá) 100 ％。

    例如，日本三菱電機(jī)公司最近開發(fā)的 IPM 系列第三代智能功率模塊，其用途極為廣泛。最近，國內(nèi)也相繼開發(fā)出變頻空調(diào)器專用智能功率模塊、電動(dòng)機(jī)智能功率模塊等新產(chǎn)品。

    圖1給出了各種功率器件的工作頻率、容量的范圍及其應(yīng)用領(lǐng)域 。其中，SCR為普通晶閘管，Triac 為雙向晶閘管， GTO 代表可關(guān)斷晶閘管，Tr Mod 表 示普通功率管模塊，MOSFET 表示功率場效應(yīng)管 ，IGBT MOD IPM代表IPM系列的IGBT智能功率模塊，其中的 IGBT （ Insulated Gate Bipolar Transistor ）為絕緣柵型場效應(yīng)管－雙極型晶體管的英文縮 寫 。由圖可見，IGBT 智能功率模塊的工作頻率遠(yuǎn)高于普通功率管模塊，而其容量又比功率場效應(yīng) 管提高 1 ～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí) 。

圖 1  各種功率器件的性能及應(yīng)用領(lǐng)域

2  智能功率集成電路的原理與應(yīng)用

2.1  MC33370 系列高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器

    MC33370 系列是美國 Motorola 公司于 1999 年研制的適配微控制器（MCU）的高壓功率開關(guān)調(diào)節(jié)器，它包括 MC33369 ～ MC33374 ，根據(jù)封裝形式的不同，共有 17 種型號(hào)。可廣泛用于辦公自動(dòng)化設(shè)備、儀器儀表、無線通信設(shè)備及消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，構(gòu)成 150W 以下的高壓隔離式 AC/DC 電源變換器。

    MC33370 系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖 2 中虛線方框所示。各引腳的功能如下：

圖 2  MC33370 系 列 產(chǎn) 品 的 內(nèi) 部 框 圖

    U CC 為工作電源電壓的輸入端。

    FB 為反饋端。

    GND 為地。

    SCI 為狀態(tài)控制端，只需配少量外圍元件，即可實(shí)現(xiàn)以下 6 種狀態(tài)控制方式：

    1 ）利用按鍵觸發(fā)方式來選擇工作模式或備用模式；

    2 ）配微控制器進(jìn)行關(guān)斷操作；

    3 ）給狀態(tài)控制器配以低壓保護(hù)電路，使之在模式轉(zhuǎn)換過程中不會(huì)引起開關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；

    4 ）利用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制；

    5 ）接上電延時(shí)電路；

    6 ）禁止對狀態(tài)控制器進(jìn)行操作。

    D 為功率開關(guān)管漏極引出端。

    MC33370 的內(nèi)部主要包括 9 部分：

    1 ）振蕩器；

    2 ）并聯(lián)調(diào)整器／誤差放大器；

    3 ）脈寬調(diào)制比較器與脈寬調(diào)制觸發(fā)器；

    4 ）外部關(guān)斷電路及關(guān)斷觸發(fā)器；

    5 ）電流極限比較器及功率開關(guān)管；

    6 ）啟動(dòng)電路；

    7 ）欠壓鎖定電路；

    8 ）過熱保護(hù)電路；

    9 ）狀態(tài)控制器。

    由 MC33374T／TV 構(gòu)成的15V／3.5A 、52W 開關(guān)電源的電路如圖3所示。其交流輸入電壓 u 的允許變化范圍是 92V ～ 276V 。 VD 1 ～ VD 4為整流橋。初級(jí)保護(hù)電路由RC吸收電路（ R 2 、C 2 ）和鉗位保護(hù)電路（VD Z 、VD 5）構(gòu)成，能有效抑制高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖峰電壓，保護(hù) MC33374 內(nèi)部的功率開關(guān)管不受損壞 。VD Z采用P6KE200A型瞬態(tài)電壓抑制器（TVS），圖中阻容元件R1 、C 3 的序號(hào)空缺， 根據(jù)需要亦可將 R 2 、 C 2 的串聯(lián)電路， 改成由R 1(20kΩ 、2 W) 和 C 3 （0.1 μ F 、400 V）并聯(lián)后再串以超快恢復(fù)二極管 ，組成R 、C 、VD型保護(hù)電 路 。C 5 為 U CC 端的 旁路電容。SB為控制開關(guān)電源通 、斷狀態(tài)的按鍵 。VD 6 與 C 6 組成反饋繞組輸出端的高 頻 整 流濾波器 。次 級(jí)高頻整 流管采用MBR20100CT （ 20 A ／100 V ）型肖特基二極管 。此 管 屬于共陰對管 ，兩個(gè)陰極在內(nèi)部短接 ，使用時(shí)需將兩個(gè)陽極在外 部 連 通，作并聯(lián)接 法 。由 C 8 、C 11 、L 、C 12和C 13 組成輸出濾波電路 。設(shè)計(jì)印制板時(shí)還可預(yù)先留出 C 9 、 C 10 的 位 置 ，以便由C 8 ～ C 11這4只電容并聯(lián)成濾波電容 ，進(jìn)而使L 0 減小到0 /4 。

圖 3  由 MC33374T/TV 構(gòu)成 52W 開關(guān)電源的電路

    由可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器 TL431B 構(gòu)成外部誤差放大器，它還與光耦合器 MOC8103 組成了光耦反饋電路。其穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸出電壓 U o 發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng) R 5 、R 6 分壓后得到的取樣電壓就與 TL431B 中的 2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生外部誤差電壓 U r ，再通過光耦合器使第 2 腳的反饋電流 I FB 產(chǎn)生相應(yīng)的變化，并以此調(diào)節(jié)輸出占空比，達(dá)到穩(wěn)壓目的。C 14 用來濾除由高頻變壓器初、次級(jí)耦合電容所造成的共模騷擾C 7為控制環(huán)路的補(bǔ)償電容。

2.2    BTS412B 型智能功率開關(guān)

    BTS412B 型智能功率開關(guān)采用 TO-220 封裝，它有 5 個(gè)引出端：

    U BB 為工作電源電壓端。

    GND 為公共地。

    IN 為控制信號(hào)輸入端。

    ST 為狀態(tài)輸出端。

    OUT 為功率輸出端。

    芯片內(nèi)部主要包括邏輯電路、電壓檢測電路、整流器、充電泵、功率 MOSFET 。此外，還有防止靜電放電（ ESD ）的保護(hù)電路，過電壓保護(hù)、過流保護(hù)、負(fù)載開路及短路保護(hù)電路，對電感負(fù)載的保護(hù)電路，對功率 MOSFET 柵極進(jìn)行保護(hù)的電路。

    BTS412B 的主要技術(shù)參數(shù)為 U BB >50V ，連續(xù)輸出的負(fù)載電流 I L =1.4A ，最大峰值電流 I LIMIT =25A ，導(dǎo)通電阻 R ON =0.25 Ω。

    使用兩片 BTS412B 作高端開關(guān)，另用兩只 BUZ71L 型 50V 、 14A 、 40W 的 N 溝道場效應(yīng)管作低端開關(guān)，可構(gòu)成如圖 4 所示的 H 橋雙向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 BUZ71L 的導(dǎo)通電阻僅為 0.1 Ω。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，從 ST 端輸出的狀態(tài)信號(hào)就通過晶體管 JE9013 驅(qū)動(dòng) LED 發(fā)光，作為報(bào)警指示。

圖 4  H 橋 雙 向 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 電 路

3  智能功率模塊的原理與應(yīng)用

    由日本三菱電機(jī)公司開發(fā)出的 IPM 系列產(chǎn)品，屬于第三代智能功率模塊。它采用第三代 IGBT 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的功率 MOSFET 和雙極型達(dá)林頓管，并配以功能完善的控制及保護(hù)電路，構(gòu)成了一種理想的高頻軟開關(guān)模塊。這類模塊特別適用于正弦波輸出的變壓變頻（ VVVF ）式變頻器中。

    IPM 系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖如圖 5 所示。模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng) IGBT 的電路、過流保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、溫度傳感器及過熱保護(hù)電路、門電路和 IGBT 。該系列產(chǎn)品配 16 位單片機(jī)后構(gòu)成的通用 VVVF 變頻器的原理圖，如圖 6 所示。

圖 5  IPM 系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖

圖 6  通用 VVVF 變頻器的原理圖