解读系列之DIP25系列IPM短路测试与过流保护

自2017年士兰微电子推出首颗DIP25封装的IPM模块，至今已有上千万颗模块用在千家万户。它可能出现在你家的洗衣机里，为你不辞辛苦地褪去污浊；它可能出现在你家的冰箱里，为食品的保鲜保驾护航；它还可能出现在你家的空调里，为你送来冬暖夏凉……

本文将带你走近DIP25系列IPM，探讨它强有力的心脏IGBT，了解它的短路测试方法、短路能力以及过流保护设置，也便于让各位工程师朋友在应用中更得心应手。

1.短路测试

对于电机控制系统中，一个关键要求就是在负载短路时能安全关断：当负载短路，集电极的电流迅速上升至极限输出，器件能在此条件下安全关断，系统能够得到可靠保护；同时从另一方面说，短路时IGBT承受的电压和电流应力在短路持续期间产生的能量是非常巨大的，因此可以把短路视为系统最恶劣的情况之一。

下图所示，给出了士兰DIP25系列IPM短路电流及能力测试的原理图，具体测试方法如下：

图1 短路测试电路图

以W相高侧为例：

• DIP25模块CSC接地，使能/SDW上拉5.1k至5V，VCC接15V，INWL接地或者悬空均可，VPN接400V高压源，W相低侧IGBT短路即W与NW用粗短线短路；

• INWH接信号发生器，单脉冲输出，幅值5V，脉宽设置为2us；

• 示波器电流探头接IC，高压探头接P与W端口，普通探头接INWH与COM，调节好量程，设置INWH信号上升沿触发；

• 信号发生器触发输出，即可得到模块W相高侧短路电流波形；

• 继续增大INWH脉宽直至IGBT损坏，即可得到W相高侧IGBT的短路能力。

Tc=125℃，VPN=400V，VCC=16.5V，实测波形如下：可以承受6uS。

图2 短路测试实测波形

注意事项：

1）需注意测试平台高压侧走线长度和宽度，注意粗短路线长度，因为会影响短路回路杂散电感和线路阻抗，进而影响短路电流测试值，同时也会影响电路关断时的电压尖峰大小；

2）测试高侧时，由VCC经自举二极管供电，实际测试时可适当增加电压弥补二极管压降；

3）Csc短路是为了屏蔽IPM模块的过流保护，测试U和V相时，Csc无需接地；

4）上高压前需调试好弱电信号，信号输出与预设时间一致，信号发生器应调至触发输出模式，以免上电导致模块损坏；

5）示波器同时抓取VIN, VCE, ICE波形；

6）PN电压可先加50V确认波形是否正常后再加至400V；

7）拆装模块时，注意先给PN放电，以免人体接触后被电；

8）短路能力测试IPM模块可能会过热炸裂，注意遮挡；

9）确认测试的环境和模块温度在IPM模块规格书要求范围之内；

10）短路电流下降为结温升高导致。

经测试，得到SDM06C60TA2的SCSOA曲线如下：Tc=125℃，VPN=400V。

曲线下面灰色阴影区为安全工作区。

图3 SDM06C60TA2 SCSOA曲线

2.过流保护设计建议

DIP25系列IPM过流保护时序大致如下：发生短路，电流上升，CSC电压上升，t1为CSC的RC滤波时间，检测到过流点阈值后，经过一段延时VFO端口拉低，降低至IPM模块使能关断阈值后，LOUT输出低，低侧IGBT关断。

 图4 过流简易时序

图5 VFO端口连接图

VFO端口外围连接如图5所示，为保证模块发生过流保护时的可靠性，考虑到IPM的安全工作区，这里需要对保护响应时间有所要求，即从发生过流到FO拉低的总时间要小于3us，该时间主要有2段组成：

1.CSC的RC延迟时间，小于1.5us；

2.VFO放电时间，小于1.5us。

条件1小于1.5us，通过RC参数设置，建议Ccsc为1nF，Rcsc为1.5KΩ；

这里重点考虑VFO的放电时间的设置，出现过流保护时，VFO开漏NMOS打开，VFO电压开始下降，有VFO滤波电容对NMOS放电，放电时间取决于滤波电容的大小（NMOS等效电阻为50Ω），当VFO电压低于1.3V（典型值）时，模块输出才会安全关断。

出现保护故障输出，内部NMOS导通，C1通过NMOS放电，此时该端口电压为（理想情况下，公式暂不考虑内部恒流源放电）：

VFO=V0 +(V1-V0)× [1-e(-t/RC1)]——（公式1）

这里V0为出现保护前的VFO端口电压，V1为VFO端口能放电到的最低电压（通常取0.1V），VFO为t时刻电压（保护时刻取VFO为使能关断最小值0.8V），R为NMOS等效电阻取50Ω。代入公式1换算得到：

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与上拉电阻关系如下：

VO=VDD-0.11*R1——（公式3）

代入公式2，得到C1与上拉电阻R1的关系如下：

C1<1.5/(50 ×ln[(0.1 - (VDD-0.11*R1) )/-0.7]) ——（公式4）

例如：VDD=5V，上拉6.8K，温度25°C，则V0=4.25V，得到C1＜16.85nF

图6 VFO滤波电容与上拉电阻关系

为保证短路保护的可靠性，留足够的余量，这里建议统一滤波电容取值为2nF。

注意事项：

1）为防止地线电压波动导致VFO容易被误触发使能关断模块输出，VFO管脚的滤波电容应尽可能靠近管脚放置；

2）尽量在MCU的AD管脚处也放置一个1nF电容，以免走线过长导致的电压波动；

3）根据整机应用实测情况，合理调整VFO滤波电容大小。