IPM的保护方法

逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，选择高可靠性的逆变模块是电路正常工作的必要条件。下面对IPM（智能功率模块）组成逆变器和分离元件组成逆变器进行分别阐述。
1 IPM逆变模块介绍

IPM是一种先进的功率开关器件，具有GTR (大功率晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压特点，并具有MOSFET(场效应晶体管)高输入阻抗高开关频率和低驱动功率等优点。IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保护电路，不仅减小了系统的体积以及开发时间，也增强了系统的可靠性。
IPM 内置栅极驱动和保护电路，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护和短路保护，一些六管封装的C型模块还具有过流保护功能。当其中任一种保护功能动作时，IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流，并输出一个故障信号。以七管封装的R型 IPM为例，其内部功能框图如图3.2所示。
IPM的各种保护功能具体如下：
控制电压欠压保护(UV) (25～150)A/600V IPM需要4路隔离，的+15V供电。
控制电源电压降低时，会导致IGBT的Vce(sat)功耗增加，为防止热损坏，当检测到控制电源电压低于12.5V时，发生欠压保护，封锁门极驱动电路输出故障信号。
过温保护(OT) 在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了一个温度传感器。所以过温保护可直接检测IGBT单元的硅片温度。当IPM温度传感器测出基板的温度超过设定值(OT动作电平)时。发生过温保护，封锁门极驱动电路输出故障信号。
短路保护(SC) 若负载发生短路或控制系统故障导致短路，流过IGBT的电流值超过短路动作电流(一般为IGBT额定工作电流的2倍)，且短路时间超过 toff(sc)，则发生短路保护，封锁门极驱动电路，输出故障信号。为避免发生过大的di/dt，大多数IPM用两级关断模式。为缩短过流保护的电流检测和故障动作问的响应时间，IPM内部使用实时电流控制电路(RTC)，减小响应时间，从而有效抑制了电流和功率峰值，提高了保护效果。
过流保护(OC) 有些六管封装的 C型 IPM具有过流保护功能。若流过 IGBT的电流值超过过流作电流值，则发生过流保护，封锁门极驱动电路输出故障信号。跟短路保护一样，为避免发生过大的di/dt，大多数 IPM采用两级关断模式。
当IPM发生 UV、OT、SC、OC中任一故障时，其故障输出信号持续时间tm为 1.8ms(一般SC持续时间会长一些)。此时间内 IPM会封锁门极驱动。关断 IPM；故障输出信号持续时间结束IPM内部自动复位，门极驱动通道开放。











2 IPM逆变模块保护电路设计

在此系统500W微网逆变器中，IPM输出三相交流电,线电压380V，线电流0.8A，为了以后5KW微网逆变器的设计，线电压380V，线电流8A，留足够的裕量，故选择了三菱公司耐压600V，集电极最大电流30A的PM30CSJ060。
因 IPM 自身提供的 FO信号不能保持，为避免IPM保护动作的反复性，一个完整的系统不能只依靠 IPM 的内部保护机制，还需要辅助外围电路的保护，外围辅助电路将内部提供的FO信号转换为封锁 IPM 的控制信号，关断 IPM输入信号，实现保护。可通过硬件方式实现，也可通过软件方式实现。IPM硬件保护电路框图如图1.2。
（1）IPM保护电路的硬件实现
IPM有故障时，故障输出端将输出低电平，通过低速光耦隔离 ，到达硬件电路，关断 PWM输出，从而实现保护 IPM的目的。具体硬件连接方式如图1.2所示。PWM信号经三态收发器 74HC245后，送至高速光耦 HCPL4504，经光耦隔离放大后接 IPM 内部驱动电路控制 IGBT工作。IPM的4个故障信号(包括上臂 3管的故障输出端子和下臂管的1个故障输出端子)经低速光耦隔离后，再经与或门送至JK触发器，从而达到锁存故障信号的目的。锁存器的负端输出信号接收发器74HC245的使能端，当IPM有故障时，JK触发器的 J端子为高电平，其输出端就为高电平，收发器的输出被置为高阻态，封锁各个IPM的控制信号，关断 IPM，实现保护。待故障解除后，控制器发送故障清除信号 FAULT_CLR至 JK触发器，即可重新使能 74HC245，使 IPM正常工作。由于本保护电路是基于PM30CSJ060设计的，该 IPM模块发生短路保护的动作电流值为30A，实际应用中IPM动作时可能达不到30A就应该封锁IPM的控制输入信号，所以本电路还设计了过流保护功能，如图3.3中的虚线框1内所示，在IPM的负母线端串接一霍尔电流元件来检测母线上的电流，其输出量为电压，当母线上的电流超过实际应用中的动作值时，比较器输出高电平，再串接一反相器，当发生过流时，OC端也输出低电平，与 IPM的 4个故障信号与非后一起送 JK触发器的输入端。









（2）IPM保护电路的软件实现
IPM有故障时，IPM的故障输出端子输出为高电平，IPM的4个故障输出信号通过高速光耦送至或门再传输到控制器进行处理，处理器确认后，利用中断或软件关断IPM的PWM控制信号，从而达到保护 IPM的目的。
以上2种方案均利用 IPM故障输出信号封锁IPM 的控制信号通道，软件保护不需要增加硬件，简便易行，但可能受到软件设计和计算机故障的影响；硬件保护则反应迅速，工作可靠。应用中软件与硬件结合的方法能更好的弥补IPM 自身保护的不足，提高系统的可靠性。