DIPIPM™是雙列直插型智能功率模塊的簡稱，由三菱電機于1997年正式推向市場，迄今已在家電、工業(yè)和汽車空調(diào)等領域獲得廣泛應用。本講座主要介紹DIPIPM™的基礎、功能、應用和失效分析技巧，旨在幫助讀者全面了解并正確使用該產(chǎn)品。
3.3
DIPIPM™應用電路
通過前幾期的技術講座，我們了解了DIPIPM™基本結(jié)構(gòu)､內(nèi)置功能､如何選型､如何功耗仿真等。從本節(jié)開始介紹DIPIPM™的典型應用接口電路以及PCB設計。從應用的角度來看，DIPIPM™的優(yōu)勢在于擁有更少的外圍器件､設計上手快；DIPIPM™從600V/2A~75A到1200V/5A~75A在內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)和外圍接口電路的設計上都是基本一致的，只要使用過其中任意一款DIPIPM™，就可以非常容易拓展到不同功率等級的產(chǎn)品線，系列擴展簡單､節(jié)省研發(fā)資源。
3.3.1
DIPIPM™典型應用電路
工程師們在為自己的功率變換裝置選定了主要功率器件DIPIPM™之后，下一步要進行的工作是進行DIPIPM™相關電路設計。DIPIPM™電路設計是功率變換裝置的基礎，既決定了功率部分的系統(tǒng)性能，同時也是整個功率變換裝置可靠性的基礎。對于DIPIPM™來說，由于其內(nèi)置了用于驅(qū)動的HVIC､LVIC和短路保護等諸多功能，因而其電路設計相較采用分立器件的功率變換裝置會更簡單，設計周期更短，隨著功率變換裝置對可靠性､成本要求越來越高，如何設計出簡單可靠的DIPIPM™相關電路，仍然是需要認真思考的課題。
下面我們以DIPIPM™應用于變頻空調(diào)為例，從整體到部分來介紹DIPIPM™的典型應用電路。
對于變頻空調(diào)來說，DIPIPM™可以應用于空調(diào)室外機壓縮機驅(qū)動和風機驅(qū)動，也可應用于室內(nèi)機風機驅(qū)動，其在變頻空調(diào)的應用見下圖1所示。
圖1 空調(diào)系統(tǒng)示意圖
對于DIPIPM™電路來說，不管是驅(qū)動壓縮機還是驅(qū)動風機，其電路基本類似，但由于軟件采集電流的方式不同，可能存在設計DIPIPM™短路保護時存在單電阻采樣或兩電阻采樣的區(qū)別。變頻空調(diào)壓縮機驅(qū)動是整個變頻空調(diào)功率部分的核心，通常包括整流電路､PFC（功率因數(shù)校正）電路 ､逆變電路三個主要部分，其系統(tǒng)框圖如下圖2所示。
圖2 空調(diào)壓縮機驅(qū)動應用系統(tǒng)框圖
三個部分一般會設計在同一PCB板上，三部分在工作時可能存在相互干擾的問題，DIPIPM™作為逆變部分的核心功率器件，其電路設計也需要同時兼顧整流電路､PFC（功率因數(shù)校正）電路部分，這直接影響到整個壓縮機驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和EMC（電磁兼容）性能。
下圖3是以SLIMDIP™為例的DIPIPM™典型驅(qū)動電路。
圖3 典型接口電路（不帶光耦）
通常對于諸如變頻空調(diào)等家電應用來說電路中的MCU（微處理器）控制信號輸出端口與DIPIPM™的PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號輸入端口直接連接。這極大簡化了驅(qū)動電路設計，但對于工業(yè)應用或?qū)煽啃砸蟾叩纳逃每照{(diào)應用，也可以采用光耦對MCU和DIPIPM™進行驅(qū)動信號隔離，以提高系統(tǒng)的抗噪聲能力。采用光耦隔離的DIPIPM™典型驅(qū)動電路如下圖4所示。
圖4 典型大型DIPIPM™接口電路（帶光耦）
DIPIPM™接口電路按功能區(qū)分主要分為以下幾個部分：15V電源、自舉電路、控制邏輯輸入信號（輸入PWM信號）、VOT（溫度輸出）功能、電流檢測和短路保護電路。我們將在下面的章節(jié)中對這幾部分進行詳細介紹。
3.3.2
15V電源、欠壓保護電路以及自舉電路
1、DIPIPM™對15V電源的總體要求
電源是DIPIPM™工作的基礎，DIPIPM™對15V電源指標要求如下：
·
控制電源電壓的推薦范圍：13.5V~16.5V
·
自舉電源電壓的推薦范圍：13V~18.5V
·
對紋波噪音的要求：dv/dt≤±1V/μs，Vripple≤ 2Vp-p
·
為了滿足以上15V電源指標的要求，建議采用下圖5所示的15V電源接口電路和圖6所示的上橋臂自舉電源電路。
圖5 DIPIPM™15V電源接口電路
圖6 三路自舉電路的其中一路
15V電源過低會導致DIPIPM™工作時損耗增大，因而DIPIPM™內(nèi)部設計了欠壓保護功能，但是故障信號（Fo）僅對N側(cè)的欠壓保護才有輸出，對于P側(cè)的欠壓，會關閉對應的IGBT輸出，但不會輸出故障信號（Fo）。另外欠壓保護電路內(nèi)置了一個噪聲濾波器（典型值10μs）以防止瞬間欠壓導致的誤觸發(fā)。因此在發(fā)生欠壓后的最初10μs內(nèi)控制信號依然有效。下表1給出了DIPIPM™的運行狀態(tài)和控制電源之間的關系。良好的15V電源設計必須保證在任何工作條件下DIPIPM™的15V處于推薦的工作范圍內(nèi)。
表1 DIPIPM™的運行狀態(tài) vs. 控制電源電壓
2、
對DIPIPM™而言，其上橋臂不需要單獨供電的獨立15V電源，而是采用了自舉方式供電，自舉供電方式下，需要估算電路中自舉電容的容值，通常推薦VDB（上橋臂自舉電源電壓）的紋波電壓范圍在2Vp-p以內(nèi)。在選取自舉電容值時，要綜合考慮到使用條件、電容耐受性、電容的溫度特性、直流偏壓和壽命等相關因素。運行過程中，自舉電容電壓的最小值應高于上橋控制電源電壓VDB的最小推薦值13V。一般條件下，可以按照ΔVDB ≦1V計算的電容典型值的2-3倍選取電容，使紋波電壓更接近理想值。
計算公式如下：
自舉電容: C= IDB×T1／ΔVDB
（T1: 上橋IGBT最大導通時間）
注意：SPWM/DC120度/DC180度等不同控制方式的自舉電容的大小不盡相同。自舉電容主要采用電解電容器。近年來，大容量的陶瓷電容器也開始被采用。但應用于直流電壓時，電解電容器的直流偏壓特性與陶瓷電容器大不相同(特別是大容值產(chǎn)品)。在應用于直流 15V 電壓時，有些陶瓷電容器的容量會在額定值的基礎上下降 30％。電解電容器和陶瓷電容器的主要特點對比如下表2所列。
表2 電解電容器和陶瓷電容器的性能對比
電解電容器的直流偏壓特性對電容量的影響不大，但應注意由于重復充放電引起的紋波電流和外界溫度對電容壽命的影響。以上數(shù)據(jù)均來自網(wǎng)站公開數(shù)據(jù)，要了解更詳細的數(shù)據(jù)信息可以垂詢電容器制造商。
3、
自舉電路由一個自舉二極管､一個自舉電容和一個限流電阻組成。如圖7紅色標記所示，其使用自舉電容作為驅(qū)動P側(cè)IGBT（或MOSFET）的控制電源。自舉電容提供P側(cè)器件開通時柵極充電所需電荷，并提供P側(cè)驅(qū)動IC中邏輯電路消耗的電流。由于采用自舉電容代替隔離電源，它的供電能力是受到限制的。所以這個利用自舉電路實現(xiàn)的浮動電源只適用于像DIPIPM™這樣對電源電流要求較小的器件。
逆變過程中當輸出端（U/V/W）電位被拉低到GND附近時，N側(cè)15V的控制電源會通過限流電阻和自舉二極管對自舉電容充電。
圖7 自舉電路電路圖和初始化充電路徑
圖8 單脈沖初始充電時序
自舉電容充電有兩種方式，一種是通過單個長脈沖實現(xiàn)，另一種是通過多個短脈沖實現(xiàn)。如下圖9所示。多脈沖方式適用于有控制電源容量、自舉二極管正向電流尖峰、限流電阻額定功率等條件限制的情況下。
圖9 自舉充電時序
初始化充電需要持續(xù)到自舉電容電壓超過推薦的最小電源電壓13V。（考慮到從充電結(jié)束到逆變器工作之間的電壓下降，建議初始化充電的電壓值越高越好。）
自舉電容充電后，系統(tǒng)運作前，建議在P側(cè)輸入端輸入一個開通脈沖，以復位內(nèi)部IC。脈寬不能小于允許的最小輸入脈寬PWIN(on)。（例如SLIMDIP™的最小輸入脈寬不能小于0.7μs，具體請參考相應的規(guī)格書。）
4、
由圖10實驗可知， 在每對驅(qū)動電源端子間加入一個齊納二極管(24V/1W)，對于防止控制IC因浪涌而損壞是非常有效的。
圖10 控制電源齊納二極管測試
主要術語說明
1:DIPIPM→雙列直插式智能功率模塊（Dual-in-line Intelligent Power Module）；
2:DIPIPM™、SLIMDIP™及DIPIPM+™均為三菱電機株式會社注冊商標。
主要參考文獻
[1] Mitsubishi electric, “SLIMDIP Series Application note”
[2] Mitsubishi electric, “Super mini DIPIPM Ver.6 Series Application note”
[3] Mitsubishi electric, “Mini DIPIPM with BSD Series Application note”
[4] Mitsubishi electric, “1200V Large DIPIPM Ver.6 Series Application note”
關于三菱電機
三菱電機創(chuàng)立于1921年，是全球知名的綜合性企業(yè)。在2022年《財富》世界500強排名中，位列351名。截止2022年3月31日的財年，集團營收44768億日元（約合美元332億）。作為一家技術主導型企業(yè)，三菱電機擁有多項專利技術，并憑借強大的技術實力和良好的企業(yè)信譽在全球的電力設備、通信設備、工業(yè)自動化、電子元器件、家電等市場占據(jù)重要地位。尤其在電子元器件市場，三菱電機從事開發(fā)和生產(chǎn)半導體已有60余年。其半導體產(chǎn)品更是在變頻家電、軌道牽引、工業(yè)與新能源、電動汽車、模擬/數(shù)字通訊以及有線/無線通訊等領域得到了廣泛的應用。