目前，正朝著(zhù)集成化、智能化和模塊化的方向發(fā)展。智能功率器件為機電一體化設備中弱電與強電的連接提供了理想的接口。介紹了智能功率器件的特點(diǎn)、產(chǎn)品分類(lèi)、工作原理及典型應用。
1 智能功率器件的特點(diǎn)及產(chǎn)品分類(lèi)
1.1 智能功率器件的特點(diǎn)
所謂智能功率器件，就是把功率器件與傳感器、檢測和控制電路、保護電路及故障自診斷電路等集成為一體并具有功率輸出能力的新型器件。由于這類(lèi)器件可代替人工來(lái)完成復雜的功率控制，因此它被賦予智能的特征。例如，在智能功率器件中，常見(jiàn)的保護功能有欠電壓保護、過(guò)電壓保護、過(guò)電流及短路保護、過(guò)熱保護。此外，某些智能功率器件還具有輸出電壓過(guò)沖保護、瞬態(tài)電流限制、軟啟動(dòng)和zui大輸入功率限制等保護電路，從而大大提高了系統的穩定性與可靠性。
智能功率器件具有體積小、重量輕、性能好、抗騷擾能力強、使用壽命長(cháng)等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于單片機測控系統、變頻調速器、電力電子設備、家用電器等領(lǐng)域。
1.2 智能功率器件的產(chǎn)品分類(lèi)
智能功率器件可分成兩大類(lèi)，即智能功率與智能功率模塊。
1）智能功率集成電路
智能功率集成電路的種類(lèi)很多，下面僅列出幾種典型產(chǎn)品。
——高壓功率開(kāi)關(guān)調節器（High Voltage Power Switching Regulator）。例如，美國摩托羅拉公司研制的MC33370系列產(chǎn)品。
——智能功率開(kāi)關(guān)（IntelligentP ower Switch）。例如，德國西門(mén)子（Siemens）公司生產(chǎn)的Smart SIPMOS智能功率開(kāi)關(guān)，產(chǎn)品型號有BTS412B、BTS611等。
2）智能功率模塊
智能功率模塊是采用微和先進(jìn)的制造工藝，把智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實(shí)現智能功率控制的商品化部件。模塊大多采用密封式結構，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能。用戶(hù)只須了解模塊的外特性，即可使用。因此，它能簡(jiǎn)化設計工作，縮短系統的研制周期。國內外許多著(zhù) 名的模塊廠(chǎng)商的產(chǎn)品都通過(guò)了IEC950（國際電工委員會(huì )）或UL1950（美國）、GS（德國）、CE（歐共體）**認證，其質(zhì)量可靠、**性好、抗騷擾性強、符合電磁兼容性（EMC）標準、便于維修，上機合格率可達100％。
例如，日本三菱電機公司zui近開(kāi)發(fā)的IPM系列第三代智能功率模塊，其用途極為廣泛。zui近，國內也相繼開(kāi)發(fā)出變頻空調器專(zhuān)用智能功率模塊、電動(dòng)機智能功率模塊等新產(chǎn)品。
圖1給出了各種功率器件的工作頻率、容量的范圍及其應用領(lǐng)域。其中，SCR為普通晶閘管，Triac為雙向晶閘管，GTO代表可關(guān)斷晶閘管，Tr Mod表示普通功率管模塊，MOSFET表 示功率場(chǎng)效應管，IGBT MOD IPM代表IPM系列的IGBT智能功率模塊，其中的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）為絕緣柵型場(chǎng)效應管－雙極型晶體管的英文縮寫(xiě)。由圖可見(jiàn)，IGBT智能功率模塊的工作頻率遠高于普通功率管模塊，而其容量又比功率場(chǎng)效應管提高1～ 2個(gè)數量級。
2 智能功率集成電路的原理與應用
2.1 MC33370系列高壓功率開(kāi)關(guān)調節器
MC33370系列是美國Motorola公司于1999年研制的適配（）的高壓功率開(kāi)關(guān)調節器，它包括MC33369～MC33374，根據封裝形式的不同，共有17種型號?？蓮V泛用于辦公自動(dòng)化設備、儀器儀表、無(wú)線(xiàn)通信設備及消費類(lèi)電子產(chǎn)品中，構成150W以下的高壓隔離式AC/DC電源變換器。
MC33370系列產(chǎn)品的內部框圖如圖2中虛線(xiàn)方框所示。各引腳的功能如下：
UCC為工作電源電壓的輸入端。
FB為反饋端。
GND為地。
SCI為狀態(tài)控制端，只需配少量外圍元件，即可實(shí)現以下6種狀態(tài)控制方式：
1）利用按鍵觸發(fā)方式來(lái)選擇工作模式或備用模式；
2）配微控制器進(jìn)行關(guān)斷操作；
3）給狀態(tài)控制器配以低壓保護電路，使之在模式轉換過(guò)程中不會(huì )引起開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)；
4）利用數字信號進(jìn)行控制；
5）接上電延時(shí)電路；
6）禁止對狀態(tài)控制器進(jìn)行操作。
D為功率開(kāi)關(guān)管漏極引出端。
MC33370的內部主要包括9部分：
1）振蕩器；
2）并聯(lián)調整器／誤差放大器；
3）脈寬調制比較器與脈寬調制觸發(fā)器；
4）外部關(guān)斷電路及關(guān)斷觸發(fā)器；
5）電流極限比較器及功率開(kāi)關(guān)管；
6）啟動(dòng)電路；
7）欠壓鎖定電路；
8）過(guò)熱保護電路；
9）狀態(tài)控制器。
由MC33374T／TV構成的15V／3.5A、52W開(kāi)關(guān)電源的電路如圖3所示。其交流輸入電壓u的允許變化范圍是92V～276V。VD1～VD4為整流橋。初級保護電路由RC吸收電路（R2、C2）和鉗位保護電路（VDZ、VD5）構成，能有效抑制高頻變壓器漏感產(chǎn)生的尖 峰 電 壓 ， 保 護MC33374內 部 的 功 率 開(kāi) 關(guān) 管 不 受 損 壞 。VDZ采 用 P6KE200A型 瞬 態(tài) 電 壓 抑 制 器 （ TVS） ， 圖 中 阻 容 元 件R1、C3的 序 號 空 缺 ， 根 據 需 要 亦 可 將R2、C2的 串 聯(lián) 電 路 ， 改 成 由R1（20 kΩ 、 2 W）和C3（ 0.1 μ F、 400 V） 并 聯(lián) 后 再 串 以 超 快 恢 復 二 極 管 ， 組 成R、C、VD型 保 護 電 路 。C5為UCC端 的 旁 路 電 容 。 SB為 控 制 開(kāi) 關(guān) 電 源 通 、 斷 狀 態(tài) 的 按 鍵 。VD6與C6組 成 反 饋 繞 組 輸 出 端 的 高 頻 整 流 濾 波 器 。 次 級 高 頻 整 流 管 采 用 MBR20100CT（ 20 A／ 100 V） 型 肖 特 基 二 極 管 。 此 管 屬 于 共 陰 對 管 ， 兩 個(gè) 陰 極 在 內 部 短 接 ， 使 用 時(shí) 需 將 兩 個(gè) 陽(yáng) 極 在 外 部 連 通 ， 作 并 聯(lián) 接 法 。 由C8、C11、L、C12和C13組 成 輸 出 濾 波 電 路 。 設 計 印 制 板 時(shí) 還 可 預 先 留 出C9、C10的 位 置 ， 以 便 由C8～C11這 4只 電 容 并 聯(lián) 成 濾 波 電 容 ， 進(jìn) 而 使L0減 小 到L0/4。
由可調式精密并聯(lián)穩壓器TL431B構成外部誤差放大器，它還與光耦合器MOC8103組成了光耦反饋電路。其穩壓原理是當輸出電壓Uo發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)R5、R6分壓后得到的取樣電壓就與TL431B中的2.5V基準電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生外部誤差電壓Ur′，再通過(guò)光耦合器使第2腳的反饋電流IFB產(chǎn)生相應的變化，并以此調節輸出占空比，達到穩壓目的。C14用來(lái)濾除由高頻變壓器初、次級耦合電容所造成的共模騷擾。C7為控制環(huán)路的補償電容。
2.2 BTS412B型智能功率開(kāi)關(guān)
BTS412B型智能功率開(kāi)關(guān)采用TO-220封裝，它有5個(gè)引出端：
UBB為工作電源電壓端。
GND為公共地。
IN為控制信號輸入端。
ST為狀態(tài)輸出端。
OUT為功率輸出端。
芯片內部主要包括邏輯電路、電壓檢測電路、整流器、充電泵、功率MOSFET。此外，還有防止靜電放電（ESD）的保護電路，過(guò)電壓保護、過(guò)流保護、負載開(kāi)路及短路保護電路，對電感負載的保護電路，對功率MOSFET柵極進(jìn)行保護的電路。
BTS412B的主要技術(shù)參數為UBB》50V，連續輸出的負載電流IL=1.4A，zui大峰值電流ILIMIT=25A，導通電阻RON=0.25Ω。
使用兩片BTS412B作高 端開(kāi)關(guān)，另用兩只BUZ71L型50V、14A、40W的N溝道場(chǎng)效應管作低端開(kāi)關(guān)，可構成如圖4所示的H橋雙向直流電動(dòng)機。BUZ71L的導通電阻僅為0.1Ω。當發(fā)生故障時(shí)，從ST端輸出的狀態(tài)信號就通過(guò)晶體管JE9013驅動(dòng)LED發(fā)光，作為報警指示。
3 智能功率模塊的原理與應用
由日本三菱電機公司開(kāi)發(fā)出的IPM系列產(chǎn)品，屬于第三代智能功率模塊。它采用第三代IGBT來(lái)代替傳統的功率MOSFET和雙極型達林頓管，并配以功能完善的控制及保護電路，構成了一種理想的高頻軟開(kāi)關(guān)模塊。這類(lèi)模塊特別適用于正弦波輸出的變壓變頻（VVVF）式變頻器中。
IPM系列產(chǎn)品的內部框圖如圖5所示。模塊內部主要包括欠壓保護電路、驅動(dòng)IGBT的電路、過(guò)流保護電路、短路保護電路、溫度傳感器及過(guò)熱保護電路、門(mén)電路和IGBT。該系列產(chǎn)品配16位單片機后構成的通用VVVF變頻器的原理圖，如圖6所示。
