- 探討單電源IPM模塊在交流變頻調(diào)速控制器中的應(yīng)用
- 采用自舉電源技術(shù)
- 采用電平移位電路
- 采用自舉電源來驅(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)含過熱保護(hù)(oh),過熱保護(hù)是防止igbt、續(xù)流二極管(frd)過熱的保護(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?! ?br />
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。現(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)過脈沖鑒別器確認(rèn),且此時(shí)無欠壓發(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,即在開始工作之前,必須使下橋臂開通足夠長(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?! ?br />
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, 如過壓、欠壓檢測(cè)電路,過流/過載檢測(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
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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