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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(cè)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(cè)試

對(duì)于電機(jī)控制系統(tǒng)中，一個(gè)關(guān)鍵要求就是在負(fù)載短路時(shí)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(shí)從另一方面說，短路時(shí)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(cè)試的原理圖，具體測(cè)試方法如下：

圖1 短路測(cè)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(hào)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(hào)上升沿觸發(fā)；

信號(hào)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(shí)測(cè)波形如下：可以承受6uS。

圖2 短路測(cè)試實(shí)測(cè)波形

注意事項(xiàng)：

1）需注意測(cè)試平臺(tái)高壓側(cè)走線長(zhǎng)度和寬度，注意粗短路線長(zhǎng)度，因?yàn)闀?huì)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(cè)試值，同時(shí)也會(huì)影響電路關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰大??；

2）測(cè)試高側(cè)時(shí)，由VCC經(jīng)自舉二極管供電，實(shí)際測(cè)試時(shí)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(cè)試U和V相時(shí)，Csc無需接地；

4）上高壓前需調(diào)試好弱電信號(hào)，信號(hào)輸出與預(yù)設(shè)時(shí)間一致，信號(hào)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(shí)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(shí)，注意先給PN放電，以免人體接觸后被電；

8）短路能力測(cè)試IPM模塊可能會(huì)過熱炸裂，注意遮擋；

9）確認(rèn)測(cè)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(cè)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(jì)建議

DIP25系列IPM過流保護(hù)時(shí)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(shí)間，檢測(cè)到過流點(diǎn)閾值后，經(jīng)過一段延時(shí)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(jiǎn)易時(shí)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(shí)的可靠性，考慮到IPM的安全工作區(qū)，這里需要對(duì)保護(hù)響應(yīng)時(shí)間有所要求，即從發(fā)生過流到FO拉低的總時(shí)間要小于3us，該時(shí)間主要有2段組成：

1.CSC的RC延遲時(shí)間，小于1.5us；

2.VFO放電時(shí)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(diǎn)考慮VFO的放電時(shí)間的設(shè)置，出現(xiàn)過流保護(hù)時(shí)，VFO開漏NMOS打開，VFO電壓開始下降，有VFO濾波電容對(duì)NMOS放電，放電時(shí)間取決于濾波電容的大小（NMOS等效電阻為50Ω），當(dāng)VFO電壓低于1.3V（典型值）時(shí)，模塊輸出才會(huì)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(shí)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(shí)刻電壓（保護(hù)時(shí)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(xiàng)：

1）為防止地線電壓波動(dòng)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(gè)1nF電容，以免走線過長(zhǎng)導(dǎo)致的電壓波動(dòng)；

3）根據(jù)整機(jī)應(yīng)用實(shí)測(cè)情況，合理調(diào)整VFO濾波電容大小。