IPM短路保护电路设计

2018-02-28

IPM（智能功率模块）内部集成了丰富的监测和保护功能，方便客户使用。其中最重要的就是短路保护功能。IPM使用带短路能力的IGBT做功率开关，而且自带过流保护电路，通过ITRIP脚监测过电流和短路电流，激活故障输出信号并关断所有6个IGBT，在简化客户设计的同时保证了系统可靠性。接下来我们简单介绍一下如何进行正确的IPM短路保护设计。

首先，每个IPM规格书都会给出其IGBT的短路额定值。以CIPOS MINI系列的IKCM30F60GA为例，其短路时维持时间为5us，测试条件为VDC＝400V，Tj=150°C，VDD=15V。注意当测试条件改变时，短路维持时间会相应改变。具体数值可查询相关资料。

Igbt Short Circuit Rating
Igbt Short Circuit Rating
Igbt Short Circuit Rating

当我们设计过流和短路保护电路时，应当考虑保护电路响应时间Tsc要小于IPM短路额定值。Tsc通常包含外部的RC滤波器时间常数和IPM内部的驱动器延迟时间。

在家用电器等应用中常使用单电阻采样电路，并通常使用RC低通滤波器消除采样电阻上的高频噪声。下图是采用单电阻采样的典型电路。

Typical Circuit Using Single Resistor Sampling
Typical Circuit Using Single Resistor Sampling
Typical Circuit Using Single Resistor Sampling

由于线路和电阻上的漏感，采样信号会畸变。假如我们使用下图的采样电阻：

Sampling Resistor Part1
Sampling Resistor Part1
Sampling Resistor Part1

在T = 25°C, VDC = 125 V, di/dt = 590 A/µs时测得波形如下：

Waveform.jpg
Waveform.jpg
Waveform.jpg

测试结果: Uind = 7 V，所以得到漏感Lsh = 7V*A / 590µs = 11.9 nH。用频域的传递函数来表述采样信号，因为

Test Results Part1
Test Results Part1
Test Results Part1

可以得到

Test Results Part2
Test Results Part2
Test Results Part2

显然，当如下等式成立时，滤波效果最理想。

Test Results Part3
Test Results Part3
Test Results Part3

因此我们可以得到

Test Results Part4
Test Results Part4
Test Results Part4

带入前面得到的数据：Ls = 11.9nH，RS = 30 mΩ，取R1 = 100 Ω，得到C1 = 3.966 nF，所以取 C1 = 3.3 nF。经过实测我们发现使用100 Ω和3.3 nF会引起轻微的过补偿：

Slight Overcompensation
Slight Overcompensation
Slight Overcompensation

经过微调，使用470 Ω 和680 pF得到更好的结果:

Use 470 680 Pf For Better Results
Use 470 680 Pf For Better Results
Use 470 680 Pf For Better Results

由此，我们得到外部的RC滤波器时间常数为0.32µs，当然在实际应用中考虑到器件参数一致性，需要预留一定余量，推荐客户使用1µs左右的时间常数，通常不超过2µs。 同样以CIPOS MINI系列的IKCM30F60GA为例，其内部驱动器相应短路信号延迟时间为1.47µs，测试条件为Tj=25°C，VDD=15V。

 

External Rc Filter Time Constant
External Rc Filter Time Constant
External Rc Filter Time Constant

考虑到驱动器动态特性有温漂，我们在全工作温度范围内做了测试，结果如下：

Tested Over Full Operating Temperature Range
Tested Over Full Operating Temperature Range
Tested Over Full Operating Temperature Range

可见IPM内部驱动器短路保护延迟时间保证小于2µs。所以这个短路保护电路的响应时间Tsc是3µs，IPM是安全的。 其余常见的采样电路有带二极管解耦的3电阻采样：

3 Resistor Sampling With Diode Decoupling
3 Resistor Sampling With Diode Decoupling
3 Resistor Sampling With Diode Decoupling

这里的采样电阻为

Sampling Resistor Part2
Sampling Resistor Part2
Sampling Resistor Part2

滤波电路时间常数由两级时间常数相加得到(100Ω x 1nF)+(1.8kΩ x 1nF) = 1.9µs。 如果采用带比较器的过流保护电路（如下图所示），则需要小心选择RC常数。总滤波电路时间常数除了两级RC，还要考虑比较器响应时间。

Filter Circuit Time Constant
Filter Circuit Time Constant
Filter Circuit Time Constant

综上所述，在进行IPM短路保护电路设计时，需要精心设计滤波电路的参数。同时，滤波电路延迟及比较器的响应时间都需要考虑在整个短路保护延迟时间之内。整个短路保护延迟Tsc一定要小于IPM的短路耐受时间，才能保证整个系统的安全运行。