【技术大神】小谈如何用IPM实现高性能家用洗衣机

时间： 2019-07-29 来源：技术大神活动文章

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做伺服电机驱动控制系统是一件很有意思的事情，笔者常常喜欢通过挑战自己来提高自己的能力水平。最近，笔者正在做一款高性能的家用洗衣机的伺服电机驱动设备。在此设备的硬件选型设计中智能功率模块起着至关重要的作用。

图1：智能功率模块各种样式

智能功率模块简称IPM，一般用于三相全桥逆变场合。它将6个IGBT封装起来，引出引脚，供用户使用。不同的模块内部还集成了各种其它电路或器件，比如整流电路、保护电路、泵升电路、PTC电阻等。

还是先从项目需求谈起：220V整流后给系统供电，洗衣机电机的额定电流为5A。需要考虑大惯量满负载的工作情况，系统惯量可变，能够以大惯量负载启动。首先要做的就是逆变电路的器件选型，此次项目，笔者选用集成式的智能功率模块。在对比了业界前辈们习惯用的F品牌的IPM之后，笔者最终选择了世强代理的VINCOTECH功率模块，型号为80-M006PNB010SA01-K615D。

在使用Vincotech的品牌之前，笔者也去它的官网以及各大行业论坛了解了一番。Vincotech研制的功率模块处于世界领先水平，很多参数性能都做的很不错，和其他品牌相同规格的产品对比，能有更小的等效内阻，能承受更大的峰值电流。

首先两者关于内部IGBT的基本参数都是一样的：600V，10A。虽然Vincotech的价格贵了些，但是它的内部的东西却比F品牌的IPM要多很多东西。下图为带引脚编号的内部结构图：

图2：功率模块内部结构原理图

从上图可以看出，Vincotech的功率模块一般自带单相或者3相整流桥，因此，可以省去一块整流桥，以及一个RTC热敏电阻的成本。笔者在这里选用的是带单相整流桥的功率模块，具体型号后缀为K615D。关于此功率模块的作用，我将一一道来。

整流二极管的参数如下图，反向耐压值高达1200V，正向电流25A，虽然比不上某些分立器件1800V、30A的指标，但是用在此项目上，1200V、25A绰绰有余，且成本更优。

图3：整流桥二极管参数

至于PTC热敏电阻，在此有个很大的妙用。下图是笔者设计的电路中关于PTC使用的原理图。

图4：整流桥的前级电路与PTC电阻的控制电路

笔者在设计伺服驱动器的时候喜欢在逆变器的主回路中串联一个PTC，特别是涉及到带负载启动的时候，串联的PTC热敏电阻可以从硬件的角度限制输出电流，避免在启动的时候电流过大烧毁伺服驱动系统。随着时间的推移，积聚在PTC热敏电阻上的热量逐渐增大，电阻阻值逐渐减小，电流就会慢慢升上去了。Vincotech的功率模块上的PTC正好有此妙用。

上图加入了一个继电器做吸合，是为了防止轻载启动时刻电流一直很小，那样电阻阻值降不下来，系统便无法正常工作。继电器采用一个三极管控制，基极用MCU的IO去控制，15V电源通过BUCK电路从整流桥后级得到。

关于逆变器部分采用基本的三相桥式逆变电路。IGBT的驱动端电压根据下图可以看出是需要15V的压差驱动。

图5：IGBT门极驱动电压参数

对于上三管的供电有两种选择：
1）采用隔离变压器另外变出三个电源；
2）用电容作为电荷泵，给上三管供电。

笔者采用了第二种做法，选择了一块笔者熟悉的IGBT预驱动芯片给上三管供电。15V电源由来便是上文的继电器供电电源（DC-DC变换得来）。另外一点就是散热的问题如何解决。笔者采取了传统的贴上大块铝散热片解决。

总结一下Vincotech 80-M006PNB010SA01-K615D型号的功率模块的优势，有以下四点：
1）价格虽不是最便宜的，但它也在合理的价格范围之内。
2）各个特性参数较同等级产品而言，在IGBT的等效内阻、结电容和瞬态峰值电流三方面优异很多。
3）有些系列内部自带整流桥（单相/三相），以及PTC热敏电阻。
4）虽然内部的上三管没有驱动电路，但是这给了工程师更多自由发挥的空间。可以由工程师自主选择用泵升还是隔离电源。

以上便是笔者的经验分享，若有不足之处，还请各位指正。

作者：坚栋

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全部评论（2）

土木 Lv7. 资深专家 2017-02-19

回复132***62用户：第7个管子我们一般用作泄放回路的开关
用户62864741 Lv5. 技术专家 2017-02-14

还可以用集成7个管子的做功率因数校正

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产品型号	品类	SUB-TOPOLOGY	PRODUCT LINE	VOLTAGEIN（V）	CURRENTIN(A)	MAIN CHIP TECHNOLOGY	HOUSING FAMILY	HEIGHTIN（mm）	ISOLATION
V23990-K429-A40-PM	IGBT功率模块	CIB-KE-NTC	MiniSKiiP® PIM 3	1200	75	IGBT4	MiniSKiiP® 3	16	Al2O3

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产品型号	品类	产品状态	拓扑	电压(V)	电流(A)	模块高度 (mm)	晶圆工艺	封装
10-0B06PPA004RC-L022A09	SiC功率模块	Series production	PIM+PFC(CIP)	600V	4A	17mm	IGBT RC	flow 0B