探索PS21562 - SP Intellimod™模块：助力小功率三相电机驱动设计

在电子工程师的日常工作中，为小功率三相电机寻找合适的驱动模块是一项常见且关键的任务。今天，我们来深入了解一下Powerex公司的PS21562 - SP Intellimod™模块，看看它如何在小功率电机驱动领域发挥重要作用。

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一、模块概述

PS21562 - SP是一款双列直插式智能功率模块，额定电流为5安培，耐压600伏特。它属于Mini DIP IPM（智能功率模块）系列，将功率器件、驱动器和保护电路集成在超紧凑的双列直插式封装中，专为驱动小型三相电机而设计。其采用了第五代IGBT、DIP封装和特定应用的HVIC（高压集成电路），有助于设计师减小逆变器尺寸并缩短整体设计时间。Mini DIP - S类型的模块还具有开放发射极引脚，方便获取相电流。

二、模块特性与应用

特性

1. 紧凑封装：体积小巧，适合对空间要求较高的应用场景。
2. 单电源供电：简化了电源设计，降低了系统复杂度。
3. 集成HVIC：实现了高压电平转换，可直接连接CPU，减少了外部电路的设计。
4. 直接连接CPU：方便与控制系统集成，提高了系统的整体性能。

应用

该模块广泛应用于各类小型电机控制设备，如洗衣机、冰箱、空调、小型伺服电机等。在这些应用中，PS21562 - SP能够提供稳定可靠的功率输出，满足设备的运行需求。

三、模块参数解析

1. 绝对最大额定值

在使用模块时，必须严格遵守其绝对最大额定值，以确保模块的安全运行。以下是PS21562 - SP的一些重要绝对最大额定值参数：

• 功率器件结温：-20至125°C
• 模块外壳工作温度：-20至100°C
• 存储温度：-40至125°C
• M3安装螺丝的安装扭矩：8.5 in - lb
• 模块典型重量：20克
• 自保护电源电压限制（短路保护能力）：400伏特
• 隔离电压（交流1分钟，60Hz正弦波，连接引脚到散热板）：2500伏特

2. IGBT逆变器部分参数

• 集电极 - 发射极电压：600伏特
• 集电极电流（T = 25°C）：±5安培
• 峰值集电极电流（Tf = 25°C，<1ms）：±10安培
• 电源电压（P - N之间施加）：450伏特
• 电源电压，浪涌（P - N之间施加）：500伏特
• 集电极耗散功率（Tf = 25°C，每1个芯片）：16.7瓦

3. 控制部分参数

• 电源电压（V P1 - V NC，V N1 - V NC之间施加）：20伏特
• 电源电压（V UFB - V UFS，V VFB - V VFS，V WFB - V WFS之间施加）：20伏特
• 输入电压（U P，V P，W P - V NC，U N，V N，W N - V NC之间施加）：-0.5至V D + 0.5伏特
• 故障输出电源电压（F O - V NC之间施加）：-0.5至V D + 0.5伏特
• 故障输出电流（F O端子的灌电流）：1 mA
• 电流传感输入电压（C IN - V NC之间施加）：-0.5至V D + 0.5伏特

四、电气和机械特性

1. IGBT逆变器部分

• 集电极 - 发射极截止电流：在不同结温下有不同的最大值，如Tj = 25°C时最大为1.00 mA，Tj = 125°C时最大为10 mA。
• 二极管正向电压：Tj = 25°C，-I C = 5A，V IN = 0V时，典型值为1.50伏特，最大值为2.00伏特。
• 集电极 - 发射极饱和电压：在不同电流和结温条件下有不同的值，如I C = 5A，Tj = 25°C，V D = V DB = 15V，V IN = 5V时，典型值为1.60伏特，最大值为2.10伏特。
• 感性负载开关时间：包括开通时间、反向恢复时间、导通延迟时间、关断时间和关断延迟时间等，这些参数对于评估模块在感性负载下的性能至关重要。

2. 控制部分

• 控制电源电压：V D在13.5至16.5伏特之间，V DB在13.0至18.5伏特之间。
• 电路电流：在不同输入电压和电源电压条件下有不同的最大值。
• 故障输出电压：V FOH在V SC = 0V时为4.9伏特，V FOL在V SC = 1V，I FO = 1mA时最大为0.95伏特。
• 输入电流：V IN = 5V时，典型值为1.50 mA，最大值为2.00 mA。
• 短路跳闸电平：Tj = 25°C，V D = 15V时，典型值为0.48伏特。
• 电源电路欠压保护：包括跳闸电平和复位电平，确保模块在电源电压异常时能及时保护。
• 故障输出脉冲宽度：取决于C FO的电容值，通过近似方程 (C_{F O}=(12.2 ×10^{-6})) x tFo(F] 计算。
• 导通阈值电压：2.1至2.6伏特
• 关断阈值电压：0.8至2.1伏特

五、热特性与推荐使用条件

1. 热特性

• 结到散热片的热阻：IGBT部分（每1/6模块）最大为6.0 °C/Watt，FWDi部分（每1/6模块）最大为6.5 °C/Watt。了解热阻参数有助于合理设计散热系统，确保模块在工作过程中不会因过热而损坏。

2. 推荐使用条件

• 电源电压：P - N端子之间施加的电源电压应在0至400伏特之间，典型值为300伏特。
• 控制电源电压：V D在13.5至16.5伏特之间，V DB在13.0至18.5伏特之间。
• 控制电源变化率：Δ V D和Δ V DB应在 - 1至1 V/µs之间。
• PWM输入频率：在Tf ≤ 100°C，Tj ≤ 125°C的条件下，最大为20 kHz。
• 允许的均方根电流：根据不同的工作条件有所不同，如V CC = 300V，V D = 15V，f C = 5kHz，PF = 0.8，正弦波，Tj ≤ 125°C，Tf ≤ 100°C时，最大为4.6 Arms；V CC = 300V，V D = 15V，f C = 15kHz，PF = 0.8，正弦波，Tj ≤ 125°C，Tf ≤ 100°C时，最大为3.2 Arms。
• 最小输入脉冲宽度：ON脉冲宽度最小为0.3 µs，OFF脉冲宽度也有相应要求，以确保模块能正常响应输入信号。
• V NC变化：V NC在 - 5.0至5.0伏特之间。
• 臂直通阻断时间：每个输入信号的臂直通阻断时间在Tf < 100°C时最小为1.5 µs。
• 散热片平整度：在 - 50至100 µm之间。

六、应用电路设计

1. 应用电路元件

在设计应用电路时，需要合理选择各个元件，以下是一些关键元件及其参数：

• D1：1A，600V的超快恢复自举电源二极管。
• C1：10 - 100uF，50V的自举电源储能电解电容，要求长寿命、低阻抗、105 °C。
• C2：0.22 - 2.0uF，50V的局部去耦/高频噪声滤波多层陶瓷电容。
• C3：10 - 100uF，50V的控制电源滤波电解电容，要求长寿命、低阻抗、105 °C。
• C4：22nF，50V的故障锁定定时多层陶瓷电容。
• C5：100pF，50V的可选输入信号噪声滤波多层陶瓷电容。
• C6：200 - 2000uF，450V的主直流母线滤波电解电容，要求长寿命、高纹波电流、105 °C。
• C7：0.1 - 0.22uF，450V的浪涌电压抑制聚酯/聚丙烯薄膜电容。
• RSHUNT：5 - 100 mohm的无感、温度稳定、高精度电流传感电阻。
• R1：10 ohm的自举电源浪涌限制电阻。
• R2：330 ohm的可选控制输入上拉电阻。
• R3：10k ohm的故障输出信号上拉电阻。

2. 设计注意事项

• 为防止输入信号振荡，应尽量减小到控制器的布线长度（约2cm），必要时可添加额外的RC滤波，但要注意保持适当的死区时间和电压电平。
• 内部HVIC提供高压电平转换，可直接将六个驱动信号连接到控制器。
• FO输出为集电极开路类型，上拉电阻（R3）应根据模块的灌电流能力进行调整。
• C4决定了故障输出持续时间和锁定时间，可根据需要调整其电容值。
• 自举电源组件的值应根据PWM频率和技术进行调整。
• 局部去耦/高频滤波电容应尽可能靠近模块引脚连接。
• 应尽量减小C6、C7、DIP的P端子和分流电阻之间的直流母线布线长度，以防止过大的瞬态电压，特别是C7应尽可能靠近DIP安装。
• 使用高质量、高精度的电流传感电阻，并将其尽可能靠近DIP的N端子连接，同时要注意检查其功率额定值。

七、总结

PS21562 - SP Intellimod™模块凭借其紧凑的封装、丰富的功能和良好的性能，为小型三相电机驱动提供了一个可靠的解决方案。在设计过程中，电子工程师需要充分了解模块的各项参数和特性，合理选择应用电路元件，并注意设计细节，以确保模块能够稳定、高效地工作。大家在实际应用中是否遇到过类似模块的使用问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。