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智能功率器件的原理与应用
1  智能功率器件的特点及产品分类
  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。
  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
  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