80C196MC波形發(fā)生器和智能功率模塊在逆變器中的應(yīng)用

1 引言

無源逆變技術(shù)在交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、不間斷電源、交-直-交變頻電路等方面已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。而脈寬調(diào)制技術(shù)更是以其諧波抑制、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、頻率和效率等方面的明顯優(yōu)勢取得了很大的發(fā)展。特別是在自關(guān)斷器件出現(xiàn)成熟以后，逆變電路越來越多地采用脈寬調(diào)制控制方式。

采用硬件產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波形的電路比較復(fù)雜，而且難以精確控制；而采用軟件產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波形又需要占用大量的CPU開銷，從而降低了計(jì)算機(jī)的利用率；另外，大功率電力電子器件的保護(hù)和控制都比較困難，驅(qū)動(dòng)電路也較復(fù)雜。這些因素都阻礙了逆變技術(shù)的發(fā)展，降低了裝置的可靠性。本文介紹一種將 80C196MC單片機(jī)的片內(nèi)波形發(fā)生器（WFG）和智能功率模塊（IPM）應(yīng)用于逆變電路的實(shí)現(xiàn)方案。

2 片內(nèi)波形發(fā)生器

片內(nèi)波形發(fā)生器WFG（Wave Form Generator）是intel80C196MC/MD單片機(jī)所獨(dú)有的特點(diǎn)，它簡化了產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形所需的控制軟件和外部硬件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Intel 80C196MC/MD單片機(jī)中的波形發(fā)生器有3個(gè)同步的PWM模塊（圖1中只畫出一個(gè)），每個(gè)模塊包括一個(gè)相位比較寄存器WG-COMP、一個(gè)無信號(hào)（DEAD TIME）時(shí)間發(fā)生器和一對(duì)可編程輸出。在重裝寄存器WG-RELOAD、雙向計(jì)數(shù)器WG-COUNT和比較器1地組合工作下即可產(chǎn)生載波信號(hào)?？刂萍拇嫫鱓G-COM除了控制WFG的工作方式外，其低10位還可用來確定無信號(hào)的時(shí)間。保護(hù)寄存器WG-PRO的功能是在軟件控制或外部事件的作用下，同時(shí)禁止WFG的全部6個(gè)輸出。輸出控制寄存器WG-OUT用來控制輸出腳的功能。該80C196中的波形發(fā)生器可以產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號(hào)時(shí)間和操作方式。

圖2 以中心對(duì)準(zhǔn)工作方式0為例來說明波形發(fā)生器產(chǎn)生PWM波形的原理。開始時(shí)，雙向計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)，原始輸出有效。當(dāng)W-COUNT=WG-COMP時(shí)，輸出變?yōu)闊o效。然后計(jì)數(shù)器繼續(xù)向上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到峰頂WG-COUNT=WG-RELOAD而產(chǎn)生一次WG中斷，系統(tǒng)從已建立好的正弦表中查出相應(yīng)值重裝載入相位比較寄存器為止。再后來計(jì)數(shù)器便向下計(jì)數(shù)。這期間一對(duì)互補(bǔ)輸出均無效。直至WG-COUNT再次等于WG-COMP的值而使輸出又變?yōu)橛行?。?dāng)計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)到1時(shí)，又開始向上計(jì)數(shù)。如此反復(fù)即可在WGx和WGx上產(chǎn)生一對(duì)互補(bǔ)SPWM輸出波形。

為防止一對(duì)互補(bǔ)的PWM同時(shí)作為于逆變器的上下臂而產(chǎn)生直通，保證WFG的輸出不產(chǎn)生交疊波形，WFG中設(shè)置了無信號(hào)時(shí)間發(fā)生器。當(dāng)WG-COUNT=WG -COMP時(shí)，相位比較器產(chǎn)生一跳變信號(hào)，跳變檢測器檢測到此跳變后，啟動(dòng)一個(gè)10位無信號(hào)時(shí)間計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)值由WG-CON專用寄存器的低10位 D9～D0裝入，并使得計(jì)數(shù)器的輸出DT為低電平，然后每個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)減1，一直到0。這時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，DT變?yōu)楦唠娖?，從而產(chǎn)生一個(gè)死區(qū)時(shí)間來延遲輸出有效的開通時(shí)間。死區(qū)時(shí)間主要由IPM中IGBT的關(guān)斷時(shí)間決定，同時(shí)還與單片機(jī)輸出隔離器件的延遲時(shí)間有關(guān)。死區(qū)時(shí)間不能太長。因?yàn)樘L的死區(qū)時(shí)間可能導(dǎo)致WFG無PWM輸出，理論上要保證脈沖寬度不小于3T-dead。

由上述80C196MC單片機(jī)的波形發(fā)生器WFG產(chǎn)生PWM波形的基本原理可知，要產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制 SPWM波形，必須按正弦規(guī)律來控制WFG上產(chǎn)生的 PWM波形的占空比。因此在WFG產(chǎn)生中斷并重裝載相位寄存器值時(shí)，必須計(jì)算正弦函數(shù)值或者查正弦函數(shù)表以獲得對(duì)應(yīng)時(shí)刻的正弦值。

3 智能功率模塊

電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。各種新型的電力電子器件不斷涌現(xiàn)推動(dòng)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。 80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。IGBT是功率場控晶體管MOSFET和電力晶體管GTR的復(fù)合，它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速率快的特點(diǎn)和GTR通態(tài)壓降小、載波能力大的優(yōu)點(diǎn)集于一身，因而性能十分優(yōu)越，從而使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。但是在實(shí)際電路中，大功率、高頻率的開關(guān)操作動(dòng)態(tài)條件非常荷刻。功率電路，緩沖電路還有門極驅(qū)動(dòng)電路必須設(shè)計(jì)到足以承受di/dt和dv/dt極限值。如果過電壓就會(huì)發(fā)生。同時(shí)地環(huán)路和雜散電容還會(huì)引起嚴(yán)重的噪聲問題。因此合理的布局對(duì)于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要的。哪一個(gè)環(huán)節(jié)沒有設(shè)計(jì)好都會(huì)影響電路的正常工作，甚至將器件損壞。三菱智能功率模塊IPM（Intelligent Power Module）是一種將高速、低損耗IGBT及其最佳門極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路集于一體的功率模塊。該模塊通過使用一種先進(jìn)的在線監(jiān)控電流傳感器IGBT來實(shí)現(xiàn)高效的過電流和短路保護(hù)。IPM的過溫保護(hù)和低電壓閉鎖保護(hù)更是大大的提高了系統(tǒng)的可靠性，而且整體模塊體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，從而大大減小了整個(gè)裝置的外形尺寸。下面結(jié)合PM100CSA120的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說明其原理和保護(hù)功能。

PM100CSA120 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，六只IGBT反并聯(lián)續(xù)流二極管連接成三相全橋電路。每一只IGBT都有相應(yīng)的隔離驅(qū)動(dòng)電路，所以驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要隔離后再進(jìn)入模塊，并且要給上橋臂每一個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊提供單獨(dú)的隔離直流電源，下橋臂因共地可共用一個(gè)直流電源。每一驅(qū)動(dòng)電路都有完善的保護(hù)電路以防止器件損壞。這些保護(hù)包括以下幾方面：

（1）控制電壓低閉鎖

IPM的內(nèi)部控制電路需要15V直流電源，當(dāng)這個(gè)電壓因某種原因低于某個(gè)電壓值（U1）或高于某個(gè)電壓值（Uh）時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)閉鎖，并且發(fā)出故障信號(hào)Fo以通知主控電路。

（2）溫度保護(hù)電路

IPM內(nèi)部有一個(gè)固定在底盤IGBT器件附近的溫度傳感器，當(dāng)模塊溫度超過一定值To時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)閉鎖直到模塊溫度降低到To以下為止，同時(shí)也發(fā)出故障信號(hào)Fo。

（3）過流保護(hù)

IPM可用電流傳感型IGBT對(duì)模塊進(jìn)行在線監(jiān)測，如果通過IPM的電流超過過電流門限值OC且持續(xù)時(shí)間達(dá)到toff(OC)時(shí)，保護(hù)電路將閉鎖門極驅(qū)動(dòng)并產(chǎn)生故障信號(hào)。這段持續(xù)時(shí)間是為了避免通過IPM的瞬時(shí)類峰所造成的保護(hù)誤動(dòng)。

（4）短路保護(hù)

如果發(fā)生短路，即電流超過短路電流門檻值SC時(shí)，保護(hù)將立即動(dòng)作并發(fā)出信號(hào)。

以上保護(hù)電路可使功率器件因操作不當(dāng)或控制故障而損壞泊可能性大大降低，更重要的是提高了系統(tǒng)的可靠性。其IPM內(nèi)部最佳設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路縮短了逆變裝置的開發(fā)周期，從而也進(jìn)一步提高了可靠性。

4 電路結(jié)構(gòu)

使用IPM和80C196MC可使整個(gè)電路簡潔明了。雖然IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完善，但對(duì)于大功率逆變器仍然有必要提供合理的緩沖電路，以消除因線路電感而引起的過電壓和du/dt。如上所述，PWM控制信號(hào)必須隔離后再進(jìn)入IPM模式，并且需要給IPM內(nèi)部驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路提供隔離的15V電源。輸出經(jīng)變壓器后還要作濾波處理以獲得良好的正弦波形。直流輸入端的電壓傳感器和電流傳感器用于為控制提供保護(hù)信號(hào)；交流輸出端的電壓電流互感器所提供的反饋信號(hào)用于自動(dòng)調(diào)整逆變器的輸出電壓和頻率，同時(shí)也可作為過載保護(hù)的依據(jù)。另外，載波頻率不能太低，因?yàn)轭l率較低時(shí)，口音污染比較嚴(yán)重，而且影響輸出波形；但是，載波頻率也不能太高，因?yàn)楦哳l的開關(guān)損耗較大，且較大的死區(qū)時(shí)間所占比例將使輸出電壓偏低。這就是80C196MC單片機(jī)片內(nèi)波形發(fā)生器在產(chǎn)生SPWM波時(shí)必須在每個(gè)載波周期內(nèi)中斷一次的原因，如果載波頻率過高，程序?qū)㈩l繁中斷而使程序無法正常運(yùn)行。所以最好選在10kHz～15kHz范圍內(nèi)。該結(jié)構(gòu)除了工頻變壓器的體積稍大外，其它均不需要太大空間。具體電路如圖4所示。

5 結(jié)束語

利用80C196MC的片仙波形發(fā)生器WFG可大大簡化用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制波形的控制軟件和外部硬件，特別適用于控制三相交流電機(jī)和需要多個(gè)PWM輸出的裝置。而智能功率模塊則將功率器件、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)邏輯電路集成于一體，并具有智能化保護(hù)功能，特別適合于電機(jī)控制和無源逆變器。實(shí)際證明，運(yùn)用這些高集成度的專用器件可有效地提高系統(tǒng)的可靠性，縮短開發(fā)周期?，F(xiàn)代微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)日新月異，為集成度越來越高的微型計(jì)算機(jī)及外轉(zhuǎn)帳芯片新技術(shù)開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)，大大縮短了開發(fā)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性。同樣的，大功率電力電子器件的飛速發(fā)展也提供了這一便利。IPM集電力電子和微電子技術(shù)于一身，是一種很在前景的電力電子器件。