直流调速器|智能功率器件的原理  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 的模块厂商的产品都通过了 IEC950（国际电工会）或 UL1950（美国）、 GS（德国）、CE（欧共体）安全，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， 日本三菱电机公司近开发的 IPM 系列第三代智能功率模块，其用途极为 广泛。

近，国内也相继开发出变频空调器智能功率模块、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模式； 2）配微控制器进行关断操作； 3）给状态控制器配以低压保护电路，使之在模式转换过程中不会引起开关电源 输出电压的波动； 4）利用数字信号进行控制； 5）接上电延时电路； 6）禁止对状态控制器进行操作。

D 为功率开关管漏极引出端。

MC33370 的内部主要包括 9 部分： 1）振荡器； 2）并联调整器／误差放大器； 3）脉宽调制比较器与脉宽调制触发器； 4）外部关断电路及关断触发器； 5）电流极限比较器及功率开关管； 6）启动电路； 7）欠压锁定电路； 8）过热保护电路； 9）状态控制器。

由 MC33374T／TV 构成的 15V／3.5A、52W 开关电源的电路如图 3 所示。

其交流输入电压 u 的允许变化范围是 92V～276V。

VD1～VD4 为整流桥。

初级保护电路由 RC 吸收电路（R2、C2）和钳位保护电路（VDZ、VD5）构成，能 有效抑制高频变压器漏感产生的尖 峰 电 压 ， 保 护 MC33374 内 部 的 功 率 开 关 管 不 受 损 坏 。

VDZ 采 用 P6KE200A 型 瞬 态 电 压 抑 制 器 （ TVS） ， 图 中 阻 容 元 件 R1、 的 序 号 空 缺 ， 根 据 需 要 亦 可 C3 将 R2、C2 的 串 联 电 路 ， 改 成 由 R1(20 kΩ 、 2 W)和 C3（ 0.1 μ F、 400 V） 并 联 后 再 串 以 快 恢 复 二 极 管 ， 组 成 R、 VD 型 保 护 C、 电 路 。

为 UCC 端 的 旁 路 电 容 。

SB 为 控 制 开 关 电 源 通 、 断 状 C5 态 的 按 键 。

VD6 与 C6 组 成 反 馈 绕 组 输 出 端 的 高 频 整 流 滤 波 器 。

次 级 高 频 整 流 管 采 用 MBR20100CT 20 A／ 100 V） 型 肖 特 基 （ 二 极 管 。

此 管 属 于 共 阴 对 管 ，两 个 阴 极 在 内 部 短 接 ，使 用 时 需 将 两 个 阳 极 在 外 部 连 通 ， 作 并 联 接 法 。

由 C8、 C11、 L、 和 C13 组 成 输 出 滤 波 电 路 。

设 计 印 制 板 时 还 可 预 先 留 C12 出 C9、C10 的 位 置 ， 以 便 由 C8～C11 这 4 只 电 容 并 联 成 滤 波 电 容 ， 进 而 使 L0 减 小 到 L0/4。

图 3 由 MC33374T/TV 构成 52W 开关电源的电路 由可调式精密并联稳压器 TL431B 构成外部误差放大器， 它还与光耦合器 MOC8103 组成了光耦反馈电路。

其稳压原理是当输出电压 Uo 发生波动时，经 R5、R6 分压 后得到的取样电压就与 TL431B 中的 2.5V 基准电压进行比较， 产生外部误差电压 Ur′， 再通过光耦合器使第 2 脚的反馈电流 IFB 产生相应的变化，并以此调节输 出占空比，达到稳压目的。

C14 用来滤除由高频变压器初、次级耦合电容所造成 的共模骚扰。

C7 为控制环路的补偿电容。

2.2 BTS412B 型智能功率开关 BTS412B 型智能功率开关采用 TO-220 封装，它有 5 个引出端： UBB 为工作电源电压端。

GND 为公共地。

IN 为控制信号输入端。

ST 为状态输出端。

OUT 为功率输出端。

芯片内部主要包括逻辑电路、电压检测电路、整流器、充电泵、功率 MOSFET。

此外，还有防止静电放电（ESD）的保护电路，过电压保护、过流保护、负载开 路及短路保护电路，对电感负载的保护电路，对功率 MOSFET 栅极进行保护的电 路。

BTS412B 的主要技术参数为 UBB>50V，连续输出的负载电流 IL=1.4A，大峰值 电流 ILIMIT=25A，导通电阻 RON=0.25Ω 。

使用两片 BTS412B 作高端开关，另用两只 BUZ71L 型 50V、14A、40W 的 N 沟道场 效应管作低端开关， 可构成如图 4 所示的 H 桥双向直流电动机驱动电路。

BUZ71L 的导通电阻仅为 0.1Ω 。

当发生故障时，从 ST 端输出的状态信号就通过晶体管 JE9013 驱动 LED 发光，作为报警指示。

图4 H桥 双 向 直 流 电 动 机 驱 动 电 路 3 智能功率模块的原理与应用 由日本三菱电机公司开发出的 IPM 系列产品，属于第三代智能功率模块。

它采用 第三代 IGBT 来代替传统的功率 MOSFET 和双极型达林顿管， 并配以功能完善的控 制及保护电路， 构成了一种理想的高频软开关模块。

这类模块特别适用于正弦波 输出的变压变频（VVVF）式变频器中。

IPM 系列产品的内部框图如图 5 所示。

模块内部主要包括欠压保护电路、 驱动 IGBT 的电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和 IGBT。

该系列产品配 16 位单片机后构成的通用 VVVF 变频器的原理图，如图 6 所示。