2023年-智能功率器件的原理

智能功率器件的原理与应用智能功率器件的特点及产品分类1智能功率器件的特点

1.1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、过热保护止匕外，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、家用电器等领域智能功率器件的产品分类

1.2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）智能功率集成电路1图系列产品的内部框图5IPM图通用变频器的原理图6VVVF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 VoltagePower SwitchingRegulator）例如，美国摩托罗拉公司研制的系列产品MC33370------智能功率开关（IntelligentP owerSwitch）例如，德国西门子（Siemens）公司生产的智能功率开关，产品型号有、等SmartSIPMOS BTS412B BTS611）智能功率模块2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（国际电工委员会）IEC950或（美国）、（德国）、（欧共体）安全认证，其质量可靠、UL1950GS CE安全性好、抗骚扰性强、符合电磁兼容性（）标准、便于维修,上机合格EMC率可达100%例如，日本三菱电机公司最近开发的系列第三代智能功率模块，其用IPM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1代表可关断晶闸管，表示普通功率管模块，TrMod其中，为普通晶闸管，为双向晶闸管，SCR TriacGTO表应管，代表系列MOSFET IGBTMOD IPMIPM的智，其中的IGBT IGBTInsulated GateBipolarTransistor场效应管一双极型晶体管的英普通功率管模块，而其容量又比功率场效应管智能功率模块的工作频率远,IGBT个数量级1〜2图各种功率器件的性能及应用领域1智能功率集成电路的原理与应用2系列高压功率开关调节器

2.1MC33370系列是美国公司于年研制的适配微控制器MC33370Motorola1999MCU的高压功率开关调节器，它包括根据封装形式的不MC33369〜MC33374,同，共有种型号可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设17备及消费类电子产品中，构成以下的高压隔离式电源变换器150W AC/DC系列产品的内部框图如图中虚线方框所示各引脚的功能如MC333702下VDr VDiVD*•-W-r,T反馈输出电Fln后动电路ZVD火乐锄定比较战状态控制飞H状态「ok反爆值置电第I~|俄出法尸---------------—o VJ7^-输入SCI由输入I0V2IFB15II，调5!陷nuii JFETH5V/CKR A

7.5V电路关断08分I-SB r他发戕就卜电纪位电路R JSQMOSFET功率外部为断开美管电路DLITY JLTCYCLEju森CLK PWMfti发器ji_n_RAMPR70kHz生最小导通时PWM衽通站技法同延迟电路J比较酷筋沿闭锁电路电通板以丁，.比较战工八GND图系列产品的内部框图2MC33370为工作电源电压的输入端Ucc为反馈端FB为地GND为状态控制端，只需配少量外围元件，即可实现以下种状态控制方SCI6式:）利用按键触发方式来选择工作模式或备用模式；1）配微控制器进行关断操作；2）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3关电源输出电压的波动；）利用数字信号进行控制；4）接上电延时电路；5）禁止对状态控制器进行操作6为功率开关管漏极引出端D的内部主要包括部分MC333709振荡器；1））并联调整器/误差放大器；2）脉宽调制比较器与脉宽调制触发器；3）外部关断电路及关断触发器;4）电流极限比较器及功率开关管;5）启动电路；6）欠压锁定电路；7）过热保护电路；8）状态控制器9由构成的、开关电源的电路如图所示其MC33374T/TV15V/

3.5A52W3交流输入电压的允许变化范围是为整流桥初级保u92V〜276V VDi〜VD4护电路由吸收电路、）和钳位保护电路、）构成,能有效RC（R2C（VDz VD25抑制高频变压器漏感产生的尖峰电压，保护内部的功率开关管不受MC33374损坏采用型瞬态电压抑制器（）图中阻容元件、VDz P6KE200A TVS,Ri C3的序号空缺，根据需要亦可将、的串联电路，改成由（、）R2C2Ri20kQ2W和（、）并联后再串以超快恢复二极管，组成、、型C

0.1|1F400V RC VD3保护电路为端的旁路电容为控制开关电源通、断状态的按键C5Ucc SB与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VD6C6（）型肖特基二极管此管属于共MBR20100CT20A/100V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、、、和组成输出滤波电路设计印制板时还可预先C8C11L C12C13留出、的位置，以便由这只电容并联成滤波电容，进而使C9C10C8〜Cu4减小到Lo Lo/4图由构成开关电源的电路3MC33374T/TV52W由可调式精密并联稳压器构成外部误差放大器，它还与光耦合器TL431B组成了光耦反馈电路其稳压原理是当输出电压发生波动时，经MOC8103U、分压后得到的取样电压就与中的基准电压进行比较,产R5R6TL431B

2.5V生外部误差电压再通过光耦合器使第脚的反馈电流产生相应的变化，UJ,2IFB并以此调节输出占空比，达到稳压目的用来滤除由高频变压器初、次C14级耦合电容所造成的共模骚扰为控制环路的补偿电容C7型智能功率开关

2.2BTS412B型智能功率开关采用封装，它有个引出端:BTS412B TO-2205为工作电源电压端UBB为公共地GND为控制信号输入端IN为状态输出端ST为功率输出端OUT芯片内部主要包括逻辑电路、电压检测电路、整流器、充电泵、功率止匕外，还有防止静电放电的保护电路，过电压保护、过流MOSFETo ESD保护、负载开路及短路保护电路，对电感负载的保护电路,对功率栅MOSFET极进行保护的电路的主要技术参数为连续输出的负载电流最大峰BTS412B U50V,I=L4A,BB L值电流I=25A,导通电阻R=

0.25QLIMIT ON使用两片作高端开关，另用两只型、、的BTS412B BUZ71L50V14A40W沟道场效应管作低端开关，可构成如图所示的桥双向直流电动机驱动N4H电路的导通电阻仅为当发生故障时，从端输出的状态信BUZ71L

0.1Q ST号就通过晶体管驱动发光，作为报警指示JE9013LED图桥双向直流电动机驱动电路4H智能功率模块的原理与应用3由日本三菱电机公司开发出的系列产品，属于第三代智能功率模块它IPM采用第三代来代替传统的功率和双极型达林顿管,并配以功能IGBT MOSFET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）式变频器中（VVVF系列产品的内部框图如图所示模块内部主要包括欠压保护电路、驱IPM5动的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、IGBT门电路和该系列产品配位单片机后构成的通用变频器的原IGBT16VVVF理图，如图所示6。