智能功率器件的原理与应用

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沙占友，王书海，安胜彪，张秀清

(河北科技大学信息科学与工程学院，河北 石家庄 050054）

摘要：目前，功率器件正朝着集成化、智能化和模块化的方向发展。智能功率器件为机电一体化设备中弱电与强电的连接提供了理想的接口。介绍了智能功率器件的特点、产品分类、工作原理及典型应用。

关键词：智能功率器件；功率开关调节器；功率模块；变频器

Principle and Application of Intelligent Power Device

SHA Zhan-you, WANG Shu-hai, AN Sheng-biao, ZHANG Xiu-qing

Abstract:Now,the power device is developing toward integration, intelligent and modularization. In mechanism-electricity equipment, intelligent power device support an ideal interface to connect weak and power electricity. The characteristic, product classification, operational principle and typical application of the intelligent power device are introduced.

Keywords:Intelligent power device; Power switching regulator; Power module; Transducer

中图分类号：TN492    文献标识码：A    文章编号：0219－2713(2003)04－0129－04

　

1  智能功率器件的特点及产品分类

1.1  智能功率器件的特点

    所谓智能功率器件，就是把功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能力的新型器件。由于这类器件可代替人工来完成复杂的功率控制，因此它被赋予智能的特征。例如，在智能功率器件中，常见的保护功能有欠电压保护、过电压保护、过电流及短路保护、过热保护。此外，某些智能功率器件还具有输出电压过冲保护、瞬态电流限制、软启动和最大输入功率限制等保护电路，从而大大提高了系统的稳定性与可靠性。

    智能功率器件具有体积小、重量轻、性能好、抗骚扰能力强、使用寿命长等显著优点，可广泛用于单片机测控系统、变频调速器、电力电子设备、家用电器等领域。

1.2  智能功率器件的产品分类

    智能功率器件可分成两大类，即智能功率集成电路与智能功率模块。

    1）智能功率集成电路

    智能功率集成电路的种类很多，下面仅列出几种典型产品。

    ——高压功率开关调节器（High Voltage Power Switching Regulator）。例如，美国摩托罗拉公司研制的MC33370系列产品。

    ——智能功率开关（IntelligentP ower Switch）。例如，德国西门子（Siemens）公司生产的Smart SIPMOS智能功率开关，产品型号有BTS412B、BTS611等。

    2）智能功率模块

    智能功率模块是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的商品化部件。模块大多采用密封式结构，以保证良好的电气绝缘和抗震性能。用户只须了解模块的外特性，即可使用。因此，它能简化设计工作，缩短系统的研制周期。国内外许多著名的模块厂商的产品都通过了IEC950（国际电工委员会）或UL1950（美国）、GS（德国）、CE（欧共体）安全认证，其质量可靠、安全性好、抗骚扰性强、符合电磁兼容性（EMC）标准、便于维修，上机合格率可达100％。

    例如，日本三菱电机公司最近开发的IPM系列第三代智能功率模块，其用途极为广泛。最近，国内也相继开发出变频空调器专用智能功率模块、电动机智能功率模块等新产品。

    图1给出了各种功率器件的工作频率、容量的范围 及 其 应 用 领 域 。 其 中 ， SCR为 普 通 晶 闸 管 ， Triac为 双 向 晶 闸 管 ， GTO代 表 可 关 断 晶 闸 管 ， Tr Mod表 示 普 通 功 率 管 模 块 ， MOSFET表 示 功 率 场 效 应 管 ， IGBT MOD IPM代 表 IPM系 列 的 IGBT智 能 功 率 模 块 ， 其 中 的 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor） 为 绝 缘 栅 型 场 效 应 管 － 双 极 型 晶 体 管 的 英 文 缩 写 。 由 图 可 见 ， IGBT智 能 功 率 模 块 的 工 作 频 率 远 高 于 普 通 功 率 管 模 块 ， 而 其 容 量 又 比 功 率 场 效 应 管 提 高 1～ 2个 数 量 级 。

图1  各种功率器件的性能及应用领域

2  智能功率集成电路的原理与应用

2.1  MC33370系列高压功率开关调节器

  MC33370系列是美国Motorola公司于1999年研制的适配微控制器（MCU）的高压功率开关调节器，它包括MC33369～MC33374，根据封装形式的不同，共有17种型号。可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成150W以下的高压隔离式AC/DC电源变换器。

    MC33370系列产品的内部框图如图2中虚线方框所示。各引脚的功能如下：



图 2  MC33370系 列 产 品 的 内 部 框 图

    UCC为工作电源电压的输入端。

    FB为反馈端。

    GND为地。

    SCI为状态控制端，只需配少量外围元件，即可实现以下6种状态控制方式：

    1）利用按键触发方式来选择工作模式或备用