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自2017年士蘭微電子推出首顆DIP25封裝的IPM模塊，至今已有上千萬顆模塊用在千家萬戶。它可能出現(xiàn)在你家的洗衣機(jī)里，為你不辭辛苦地褪去污濁；它可能出現(xiàn)在你家的冰箱里，為食品的保鮮保駕護(hù)航；它還可能出現(xiàn)在你家的空調(diào)里，為你送來冬暖夏涼……
本文將帶你走近DIP25系列IPM，探討它強(qiáng)有力的心臟IGBT，了解它的短路測試方法、短路能力以及過流保護(hù)設(shè)置，也便于讓各位工程師朋友在應(yīng)用中更得心應(yīng)手。
1.短路測試
對于電機(jī)控制系統(tǒng)中，一個關(guān)鍵要求就是在負(fù)載短路時能安全關(guān)斷：當(dāng)負(fù)載短路，集電極的電流迅速上升至極限輸出，器件能在此條件下安全關(guān)斷，系統(tǒng)能夠得到可靠保護(hù)；同時從另一方面說，短路時IGBT承受的電壓和電流應(yīng)力在短路持續(xù)期間產(chǎn)生的能量是非常巨大的，因此可以把短路視為系統(tǒng)最惡劣的情況之一。
下圖所示，給出了士蘭DIP25系列IPM短路電流及能力測試的原理圖，具體測試方法如下：
圖1 短路測試電路圖
以W相高側(cè)為例：
DIP25模塊CSC接地，使能/SDW上拉5.1k至5V，VCC接15V，INWL接地或者懸空均可，VPN接400V高壓源，W相低側(cè)IGBT短路即W與NW用粗短線短路；
INWH接信號發(fā)生器，單脈沖輸出，幅值5V，脈寬設(shè)置為2us；
示波器電流探頭接IC，高壓探頭接P與W端口，普通探頭接INWH與COM，調(diào)節(jié)好量程，設(shè)置INWH信號上升沿觸發(fā)；
信號發(fā)生器觸發(fā)輸出，即可得到模塊W相高側(cè)短路電流波形；
繼續(xù)增大INWH脈寬直至IGBT損壞，即可得到W相高側(cè)IGBT的短路能力。
Tc=125℃，VPN=400V，VCC=16.5V，實測波形如下：可以承受6uS。
圖2 短路測試實測波形
注意事項：
1）需注意測試平臺高壓側(cè)走線長度和寬度，注意粗短路線長度，因為會影響短路回路雜散電感和線路阻抗，進(jìn)而影響短路電流測試值，同時也會影響電路關(guān)斷時的電壓尖峰大??；
2）測試高側(cè)時，由VCC經(jīng)自舉二極管供電，實際測試時可適當(dāng)增加電壓彌補(bǔ)二極管壓降；
3）Csc短路是為了屏蔽IPM模塊的過流保護(hù)，測試U和V相時，Csc無需接地；
4）上高壓前需調(diào)試好弱電信號，信號輸出與預(yù)設(shè)時間一致，信號發(fā)生器應(yīng)調(diào)至觸發(fā)輸出模式，以免上電導(dǎo)致模塊損壞；
5）示波器同時抓取VIN, VCE, ICE波形；
6）PN電壓可先加50V確認(rèn)波形是否正常后再加至400V；
7）拆裝模塊時，注意先給PN放電，以免人體接觸后被電；
8）短路能力測試IPM模塊可能會過熱炸裂，注意遮擋；
9）確認(rèn)測試的環(huán)境和模塊溫度在IPM模塊規(guī)格書要求范圍之內(nèi)；
10）短路電流下降為結(jié)溫升高導(dǎo)致。
經(jīng)測試，得到SDM06C60TA2的SCSOA曲線如下：Tc=125℃，VPN=400V。
曲線下面灰色陰影區(qū)為安全工作區(qū)。
圖3 SDM06C60TA2 SCSOA曲線
2.過流保護(hù)設(shè)計建議
DIP25系列IPM過流保護(hù)時序大致如下：發(fā)生短路，電流上升，CSC電壓上升，t1為CSC的RC濾波時間，檢測到過流點閾值后，經(jīng)過一段延時VFO端口拉低，降低至IPM模塊使能關(guān)斷閾值后，LOUT輸出低，低側(cè)IGBT關(guān)斷。
圖4 過流簡易時序 圖5 VFO端口連接圖
VFO端口外圍連接如圖5所示，為保證模塊發(fā)生過流保護(hù)時的可靠性，考慮到IPM的安全工作區(qū)，這里需要對保護(hù)響應(yīng)時間有所要求，即從發(fā)生過流到FO拉低的總時間要小于3us，該時間主要有2段組成：
1.CSC的RC延遲時間，小于1.5us；
2.VFO放電時間，小于1.5us。
條件1小于1.5us，通過RC參數(shù)設(shè)置，建議Ccsc為1nF，Rcsc為1.5KΩ；
這里重點考慮VFO的放電時間的設(shè)置，出現(xiàn)過流保護(hù)時，VFO開漏NMOS打開，VFO電壓開始下降，有VFO濾波電容對NMOS放電，放電時間取決于濾波電容的大?。∟MOS等效電阻為50Ω），當(dāng)VFO電壓低于1.3V（典型值）時，模塊輸出才會安全關(guān)斷。
出現(xiàn)保護(hù)故障輸出，內(nèi)部NMOS導(dǎo)通，C1通過NMOS放電，此時該端口電壓為（理想情況下，公式暫不考慮內(nèi)部恒流源放電）：
VFO=V0 +(V1-V0)× [1-e(-t/RC1)]——（公式1）
這里V0為出現(xiàn)保護(hù)前的VFO端口電壓，V1為VFO端口能放電到的最低電壓（通常取0.1V），VFO為t時刻電壓（保護(hù)時刻取VFO為使能關(guān)斷最小值0.8V），R為NMOS等效電阻取50Ω。代入公式1換算得到：
t=RC1 × ln[(V1 - V0)/(V1 -VFO)]=50Ω×C1 ×ln[(0.1 - V0)/(0.1– 0.8)]<1.5us
得到
C1<1.5/(50 ×ln[(0.1 - V0)/-0.7])——（公式2）
Tc=25℃下，VO與上拉電阻關(guān)系如下：
VO=VDD-0.11*R1——（公式3）
代入公式2，得到C1與上拉電阻R1的關(guān)系如下：
C1<1.5/(50 ×ln[(0.1 - (VDD-0.11*R1) )/-0.7]) ——（公式4）
例如：VDD=5V，上拉6.8K，溫度25°C，則V0=4.25V，得到C1＜16.85nF
圖6 VFO濾波電容與上拉電阻關(guān)系
為保證短路保護(hù)的可靠性，留足夠的余量，這里建議統(tǒng)一濾波電容取值為2nF。
注意事項：
1）為防止地線電壓波動導(dǎo)致VFO容易被誤觸發(fā)使能關(guān)斷模塊輸出，VFO管腳的濾波電容應(yīng)盡可能靠近管腳放置；
2）盡量在MCU的AD管腳處也放置一個1nF電容，以免走線過長導(dǎo)致的電壓波動；
3）根據(jù)整機(jī)應(yīng)用實測情況，合理調(diào)整VFO濾波電容大小。
