2.7 智能电力集成电路（SPIC）

智能电力集成电路（Smart Power Integrated Circuit，SPIC）是当今国际上迅速发展起来的一种高新科技产品，它是电力电子技术与微电子技术相结合的产物。采用双极、CMOS以及DMOS兼容工艺，利用集成电路（IC）隔离技术将功率控制、传感与保护以及接口电路集成在同一芯片上，具有逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等多种功能。SPIC被称为第3代电力电子器件。器件的“智能”必须是在器件内部而不是在外部实现的。为了实现与微机和CPU直接连接的复杂程序工作，也可集成接口电路，从图2-46可知，SPIC的3个基本功能是：功率控制、传感/保护和接口。为实现这些功能所需的基本电路和典型器件如图2-46所示。图中给出了3个基本单元及其相应的器件。第1个单元为功率控制单元，包括电力电子器件和驱动电路两部分。功率控制部分主要使用MOS门控晶闸管来完成。第2个单元为传感与保护单元，包括模拟电路和检测电路两部分。而模拟电路具有对异常情况（如过热、过电流、过电压和欠电压等）迅速反应的功能，即能传感故障信息。由于短路时的di/dt值非常高，该电路通常由高速双极型晶体管构成。第3个单元为接口单元。接口功能需要用逻辑电路来完成编码和解码，这样就可以对中央微处理器的指令作出反应，并将关于智能功率芯片及其负载状态的信号反馈给微处理器。由于功率电路中工作温度和dV/dt瞬态值较高，因此逻辑部分中CMOS晶体管的设计是很复杂的。

图2-46 SPIC的基本组成框图

SPIC中的电力电子器件必须有驱动电路（或触发电路）、控制电路和保护电路的配合，才能按人们的要求实现一定的电力控制功能。以往，电力电子器件和配套控制电路是分立器件或电路装置，而今半导体技术达到了可以将电力电子器件及其配套控制电路集成在一个芯片上形成所谓的电力集成电路。它可以集成多种电力电子器件及其控制电路所需的有源或无源器件，比如电力二极管、BJT、IGBT、高低压电容、高阻值多晶硅电阻、低阻值扩散电阻以及各元器件之间的连接等。这种电力集成电路特别适应于电力电子技术高频化发展方向的需要。由于高度集成化，结构十分紧凑，避免了由于分布参数、保护延迟等所带来的一系列技术难题。

现介绍变频器中较常用的以IGBT为主开关器件的SPIC。目前小容量变频器已经开始采用这种SPIC。

电力集成模块的智能化主要表现在易实现功率控制功能、保护功能和接口功能等三个方面。SPIC就具有这种特点。它将主开关器件，续流二极管，驱动电路，电流、电压、温度检测元件及保护信号生成与传送电路，某些接口电路集成在一起，形成了所谓混合式电力集成电路。这样才表现它“智能（Intelligent）”和“灵巧（Smart）”的特色。

以富士公司R系列SPIC为例，介绍其结构及功能。7MBP100RA060智能电力模块的内部结构如图2-47所示。

图2-47 7MBP100RA060 IPM的内部结构

由图可见，这是一种包括制动单元、SPIC在内的完整的逆变器，其中包括7个IGBT和7个快速功率二极管。IGBT₁～IGBT₆组成逆变桥，VD₁～VD₆是与6个主IGBT反并联的回馈二极管。IGBT₇是动力制动用的开关管，VD_W是它的续流二极管。

图中有关检测元件、保护电路没有具体画出，含在“驱动”框内。“驱动”部分具有下述功能：①驱动信号放大；②短路保护（SC）；③控制电源欠电压保护（UV）；④IGBT及VDF、VDW过电流保护（OC）；⑤IGBT芯片过热保护（T_joH）。

“驱动”4、6、2、7及“过热保护电路”（指外壳过热）经R_ALM由○⑭⑯号端子ALM输出报警信号。当IGBT过电流（OC）、IGBT结温T_joH过高、外壳温度T_COH过高、负载短路（SC）和控制电源欠电压（UV）信号出现时，ALM报警信号输出，保证整个系统停止工作。由于控制电源共地处理的限制，ALM信号由具有共地端的驱动器中取出，即由“驱动”4、6、2及7中取出。当有ALM信号输出时，IGBT₄、IGBT₆、IGBT₂及IGBT₇被封锁，由于没有电流通路，IGBT₁、IG_- BT₃、IGBT₅也同样受到保护。

由前面对IPM结构的说明可以看到，SPIC与常规IGBT模块相比有它自己的特点。

1.内含驱动电路

设定了最佳的IGBT驱动条件。驱动电路与IGBT间距离很短，输出阻抗很低，因此不需要加反向偏压。所需控制电源为4组，上桥臂3组，互相独立；下桥臂3个驱动器共用一组电源。

2.内含过电流保护（OC）、短路保护（SC）

在芯片中用辅助IGBT作为电流传感器，电流小于主IGBT的I_C，使检测功耗小，检测灵敏、准确。任一个IGBT过电流均可受到保护。

3.内含控制电源欠电压保护（UV）

每个驱动器自身都具有UV保护功能，当控制电压U_CC小于规定值U_VV时，进行欠电压保护。

4.内含过热保护（OH）

OH是防止主开关IGBT和续流二极管VD_F、VD_W过热的。SPIC内部的绝缘基板上设有温度检测元件，如过热输出壳温过高信号T_CDH。在IGBT芯片内也设有温度检测元件，当芯片因冲击电流瞬时过热时，输出结温过高信号T_joH。

5.内含报警输出（ALM）

该信号送给控制系统中的微机，使系统停止工作。

6.内含制动电路

如图2-47中的IGBT₇，在外电路端子P与B之间接入制动电阻，即可实现制动。

7.散热效果好

采用陶瓷绝缘结构，可以直接安装在散热器上，散热效果好。输入、输出端子并排成一列，间距为标准的2.54mm，用一个通用插件即可连接。利用导针，也很容易插入印制电路板的插口中。直流输入（P、N）、制动单元输出（B）及变频输出（U、V、W）端子各自安排得紧凑、合理，易于安装。全部接线采用插件或螺钉，装、拆方便。