中心議題：

• 探討單電源IPM模塊在交流變頻調(diào)速控制器中的應(yīng)用

解決方案：

• 采用自舉電源技術(shù)
• 采用電平移位電路
• 采用自舉電源來(lái)驅(qū)動(dòng)上橋臂的igbt

1 引言　　

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)趨向數(shù)字化和高集成度方向發(fā)展。傳統(tǒng)的分立元器件逐漸被高可靠性的集成元器件所代替：一方面可以減少設(shè)計(jì)電路的元器件的數(shù)量，提高設(shè)計(jì)效率和縮短開(kāi)發(fā)周期，另一方面，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。因此，集成元器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在變頻調(diào)速系統(tǒng)如工業(yè)洗衣機(jī)，變頻家電等控制系統(tǒng)中，功率驅(qū)動(dòng)器件是必不可少的，智能功率模塊（ipm）就是一個(gè)典型的高度集成的功率驅(qū)動(dòng)器件，由于其體積小、集成功能多、成本低、可靠性高和使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，在中、小功率交流變頻調(diào)速器中已大量使用。本文對(duì)單電源ipm模塊在變頻調(diào)速控制器中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并結(jié)合具體的應(yīng)用系統(tǒng)給出其典型應(yīng)用。

2 單電源ipm模塊結(jié)構(gòu)和工作原理　　

2.1 ipm模塊的一般特點(diǎn)　　

ipm模塊作為功率集成電路產(chǎn)品， 它使用表面貼裝技術(shù)將三相橋臂的六個(gè)igbt及其驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路集成在一個(gè)模塊內(nèi)，除了具有驅(qū)動(dòng)功能外， 還具有很多保護(hù)功能，與傳統(tǒng)分立igbt或模塊相比，其具有體積小、功能多、可靠性高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。ipm模塊一般具有以下特點(diǎn)：　　

（1） 內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路;　　

（2） 內(nèi)含過(guò)電流保護(hù)（oc）、短路保護(hù)（sc）;　　

（3） 內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)（uv）;　　

（4） 內(nèi)含過(guò)熱保護(hù)（oh），過(guò)熱保護(hù)是防止igbt、續(xù)流二極管（frd）過(guò)熱的保護(hù)功能;　　

（5）內(nèi)含報(bào)警輸出（alm），alm是向外部輸出故障報(bào)警的一種功能，當(dāng)oh及下橋臂oc、uv保護(hù)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)向控制ipm的微機(jī)輸出異常信號(hào)，能即時(shí)停止系統(tǒng)。對(duì)于具體不同型號(hào)的ipm，其內(nèi)部所集成的功能可能有所差異。　　

2.2 單電源ipm模塊的結(jié)構(gòu)和工作原理

ipm模塊正常工作時(shí)，需要提供驅(qū)動(dòng)電源?，F(xiàn)在普遍使用的ipm模塊一般需要提供四路獨(dú)立的電源，目的是防止其內(nèi)部上、下橋臂發(fā)生直通短路現(xiàn)象，但隨著功率器件集成技術(shù)發(fā)展，一些生產(chǎn)廠家，如日本三菱，日本東芝，美國(guó)仙童等，采用自舉電源技術(shù)，推出單電源ipm模塊，使得只需給ipm提供一路驅(qū)動(dòng)電源，這為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)共地提供了可能。單電源dip-ipmps21255-e的內(nèi)部電路如圖1所示。

在圖1中，hvic1～hvic3驅(qū)動(dòng)三相橋臂的上管，lvic驅(qū)動(dòng)三相橋臂的下管。其中，hvic1～hvic3中集成了輸入pwm信號(hào)整形電路、電平移位電路、欠壓保護(hù)電路、igbt驅(qū)動(dòng)電路，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。


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  第四代ipm模塊的最大的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了單電源驅(qū)動(dòng)，其核心技術(shù)就是驅(qū)動(dòng)電源采用自舉電源技術(shù)和電平移位電路，其原理示意圖如圖3所示。工作原理分析如下：當(dāng)輸入脈沖信號(hào)為“1”時(shí)，經(jīng)過(guò)脈沖鑒別器確認(rèn)，且此時(shí)無(wú)欠壓發(fā)生， 閂鎖邏輯電路上端輸出為“1”， 下端輸出為“0”， 此時(shí)，t1管導(dǎo)通，t2管關(guān)斷，igbt1的門極驅(qū)動(dòng)電壓為+15v，igbt1導(dǎo)通， igbt2關(guān)斷; 反之， 當(dāng)輸入脈沖信號(hào)為“0”時(shí)， igbt1關(guān)斷，igbt2導(dǎo)通。自舉電源由圖3中的電阻r1、自舉二極管d1和自舉電容c1組成， 當(dāng)下橋臂igbt2導(dǎo)通時(shí)，自舉電容c1通過(guò)r1和d1充電，這里必須保證c1首次充電時(shí)， igbt2導(dǎo)通一定的時(shí)間，使得c1充電充分，這樣c1兩端的電壓保持為+15v，足夠驅(qū)動(dòng)上橋臂的igbt1， 通過(guò)這種自舉電源技術(shù)，允許igbt1的源端在p、n之間浮動(dòng)。由于采用自舉電源來(lái)驅(qū)動(dòng)上橋臂的igbt，所以這里要求滿足一個(gè)條件，即在開(kāi)始工作之前，必須使下橋臂開(kāi)通足夠長(zhǎng)的時(shí)間（≥200μs），以便讓自舉電容充分充電。

3 ipm模塊參數(shù)的確定　　

在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證ipm長(zhǎng)期安全可靠地工作，選擇和使用ipm模塊時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況對(duì)ipm模塊以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行正確選擇：　　

（1）ipm模塊igbt的最大耐壓值vces，該值一般按略大于直流電壓的兩倍選擇，如直流側(cè)電壓為300v，則選擇ipm模塊的igbt耐壓值在600v左右;　　

（2）ipm模塊igbt的額定電流值ic及集電極峰值icp，icp的選擇應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的峰值電流而定，而電動(dòng)機(jī)的峰值電流應(yīng)由電動(dòng)機(jī)的額定功率、電動(dòng)機(jī)效率、電動(dòng)機(jī)的線電壓、功率因數(shù)等因素有關(guān);　　

（3） igbt的開(kāi)關(guān)頻率fpwm，這主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求而定，盡可能選擇留有一定余量的igbt;　　

（4）在應(yīng)用時(shí)必須注意ipm的最小死區(qū)時(shí)間tdead，軟件設(shè)計(jì)中死區(qū)時(shí)間不能小于最小死區(qū)時(shí)間tdead;除了上述主要參數(shù)以外，還有其他一些參數(shù)也需要考慮，如igbt的最大結(jié)溫tj等，為了igbt的長(zhǎng)時(shí)間正常工作，必須使ipm有良好的散熱條件， 如通過(guò)散熱器和強(qiáng)冷風(fēng)扇散熱等。ipm模塊參數(shù)的選擇，主要依賴于具體的應(yīng)用系統(tǒng)， 只有正確選擇ipm模塊和相關(guān)的元器件，才能設(shè)計(jì)出可靠的系統(tǒng)。

4 單電源ipm模塊的應(yīng)用　　

單電源ipm模塊應(yīng)用非常廣泛，尤其在中小功率變頻系統(tǒng)中，如工業(yè)洗衣機(jī)控制用變頻器，紡織機(jī)控制用儲(chǔ)緯器，注塑機(jī)控制系統(tǒng)中等，家電行業(yè)應(yīng)用也非常廣泛，如變頻空調(diào)、洗衣機(jī)、冰箱等。下面以ipm模塊在小功率變頻器中的實(shí)際使用情況，具體說(shuō)明單電源ipm在系統(tǒng)中的應(yīng)用。單電源ipm模塊在系統(tǒng)中應(yīng)用示意圖如圖4所示。

由于系統(tǒng)中使用了單電源ipm模塊，即只需要給ipm模塊提供一路電源，整個(gè)系統(tǒng)可以共一個(gè)參考地，這樣可以減少用于電氣隔離用的光耦，包括6路pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)，故障檢測(cè)信號(hào)。另外，電壓、電流檢測(cè)也可以方便地通過(guò)檢測(cè)直流側(cè)電壓和n線電流，而不需要電壓互感器和電流互感器，從而大大降低系統(tǒng)的硬件成本。　　

在使用中當(dāng)出現(xiàn)ipm保護(hù)信號(hào)時(shí)， 應(yīng)當(dāng)封鎖六路pwm脈沖信號(hào)， 停止系統(tǒng)的運(yùn)行， 因?yàn)橛行┕收峡赡苁侵貜?fù)出現(xiàn)的，如短路故障;為了防止不必要的干擾信號(hào)， ipm的外圍電路的某些布線應(yīng)盡可能短， 如直流母線間的平滑濾波電容及吸收電容之間的布線，ipm內(nèi)部過(guò)流檢測(cè)的外部電路元件之間的布線等;當(dāng)輸入pwm信號(hào)斷路時(shí)應(yīng)能及時(shí)關(guān)閉igbt，為此將六路pwm輸入信號(hào)通過(guò)接電阻和+5v電源上拉，同時(shí)為了防止輸入pwm信號(hào)的波動(dòng)，應(yīng)當(dāng)在pwm輸入信號(hào)線上接濾波電容; ipm故障輸出端口fo在正常時(shí)應(yīng)保持為高電平， 通過(guò)電阻接+5v電源上拉。除了上述主要方面外，為了更好地保護(hù)ipm模塊及整個(gè)系統(tǒng)的安全， 還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)必要輔助保護(hù)電路， 如過(guò)壓、欠壓檢測(cè)電路，過(guò)流/過(guò)載檢測(cè)等電路等，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果， 軟件應(yīng)能夠及時(shí)封鎖六路pwm脈沖， 以達(dá)到保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)　　

在中小功率變頻調(diào)速控制器中，ipm模塊是較為理想的功率器件，尤其是單電源ipm模塊。單電源ipm模塊的使用，可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的可靠性和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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