智能功率器件的原理Word文件下载.docx

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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。

1.2 

智能功率器件的产品分类

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。

1）智能功率集成电路

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（HighVoltagePowerSwitchingRegulator）。

例如，美国摩托罗拉公司研制的MC33370系列产品。

——智能功率开关（IntelligentPowerSwitch）。

例如，德国西门子（Siemens）公司生产的SmartSIPMOS智能功率开关，产品型号有BTS412B、BTS611等。

2）智能功率模块

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IEC950（国际电工委员会）或UL1950（美国）、GS（德国）、CE（欧共体）安全认证，其质量可靠、安全性好、抗骚扰性强、符合电磁兼容性（EMC）标准、便于维修，上机合格率可达100％。

例如，日本三菱电机公司最近开发的IPM系列第三代智能功率模块，其用途极为广泛。

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1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。

其中，SCR为普通晶闸管，Triac为双向晶闸管，GTO代表可关断晶闸管，TrMod表示普通功率管模块，MOSFET表示功率场效应管，IGBTMODIPM代表IPM系列的IGBT智能功率模块，其中的IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）为绝缘栅型场效应管－双极型晶体管的英文缩写。

由图可见，IGBT智能功率模块的工作频率远高于普通功率管模块，而其容量又比功率场效应管提高1～2个数量级。

图1 

各种功率器件的性能及应用领域

2 

智能功率集成电路的原理与应用

2.1 

MC33370系列高压功率开关调节器

MC33370系列是美国Motorola公司于1999年研制的适配微控制器（MCU）的高压功率开关调节器，它包括MC33369～MC33374，根据封装形式的不同，共有17种型号。

可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成150W以下的高压隔离式AC/DC电源变换器。

MC33370系列产品的内部框图如图2中虚线方框所示。

各引脚的功能如下：

图2 

MC33370系列产品的内部框图

UCC为工作电源电压的输入端。

FB为反馈端。

GND为地。

SCI为状态控制端，只需配少量外围元件，即可实现以下6种状态控制方式：

1）利用按键触发方式来选择工作模式或备用模式；

2）配微控制器进行关断操作；

3）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关电源输出电压的波动；

4）利用数字信号进行控制；

5）接上电延时电路；

6）禁止对状态控制器进行操作。

D为功率开关管漏极引出端。

MC33370的内部主要包括9部分：

1）振荡器；

2）并联调整器／误差放大器；

3）脉宽调制比较器与脉宽调制触发器；

4）外部关断电路及关断触发器；

5）电流极限比较器及功率开关管；

6）启动电路；

7）欠压锁定电路；

8）过热保护电路；

9）状态控制器。

由MC33374T／TV构成的15V／3.5A、52W开关电源的电路如图3所示。

其交流输入电压u的允许变化范围是92V～276V。

VD1～VD4为整流桥。

初级保护电路由RC吸收电路（R2、C2）和钳位保护电路（VDZ、VD5）构成，能有效抑制高频变压器漏感产生的尖峰电压，保护MC33374内部的功率开关管不受损坏。

VDZ采用P6KE200A型瞬态电压抑制器（TVS），图中阻容元件R1、C3的序号空缺，根据需要亦可将R2、C2的串联电路，改成由R1（20kΩ、2W）和C3（0.1μF、400V）并联后再串以超快恢复二极管，组成R、C、VD型保护电路。

C5为UCC端的旁路电容。

SB为控制开关电源通、断状态的按键。

VD6与C6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MBR20100CT（20A／100V）型肖特基二极管。

此管属于共阴对管，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C8、C11、L、C12和C13组成输出滤波电路。

设计印制板时还可预先留出C9、C10的位置，以便由C8～C11这4只电容并联成滤波电容，进而使L0减小到L0/4。

图3 

由MC33374T/TV构成52W开关电源的电路

由可调式精密并联稳压器TL431B构成外部误差放大器，它还与光耦合器MOC8103组成了光耦反馈电路。

其稳压原理是当输出电压Uo发生波动时，经R5、R6分压后得到的取样电压就与TL431B中的2.5V基准电压进行比较，产生外部误差电压Ur′，再通过光耦合器使第2脚的反馈电流IFB产生相应的变化，并以此调节输出占空比，达到稳压目的。

C14用来滤除由高频变压器初、次级耦合电容所造成的共模骚扰。

C7为控制环路的补偿电容。

2.2 

BTS412B型智能功率开关

BTS412B型智能功率开关采用TO-220封装，它有5个引出端：

UBB为工作电源电压端。

GND为公共地。

IN为控制信号输入端。

ST为状态输出端。

OUT为功率输出端。

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MOSFET。

此外，还有防止静电放电（ESD）的保护电路，过电压保护、过流保护、负载开路及短路保护电路，对电感负载的保护电路，对功率MOSFET栅极进行保护的电路。

BTS412B的主要技术参数为UBB>

50V，连续输出的负载电流IL=1.4A，最大峰值电流ILIMIT=25A，导通电阻RON=0.25Ω。

使用两片BTS412B作高端开关，另用两只BUZ71L型50V、14A、40W的N沟道场效应管作低端开关，可构成如图4所示的H桥双向直流电动机驱动电路。

BUZ71L的导通电阻仅为0.1Ω。

当发生故障时，从ST端输出的状态信号就通过晶体管JE9013驱动LED发光，作为报警指示。

图4 

H桥双向直流电动机驱动电路

3 

智能功率模块的原理与应用

由日本三菱电机公司开发出的IPM系列产品，属于第三代智能功率模块。

它采用第三代IGBT来代替传统的功率MOSFET和双极型达林顿管，并配以功能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（VVVF）式变频器中。

IPM系列产品的内部框图如图5所示。

模块内部主要包括欠压保护电路、驱动IGBT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、门电路和IGBT。

该系列产品配16位单片机后构成的通用VVVF变频器的原理图，如图6所示。

图5 

IPM系列产品的内部框图

图6 

通用VVVF变频器的原理图