IPM死區(qū)時(shí)間調(diào)整硬件解決方案

作者Email: gouyujie@sina.com

    摘要：針對不同廠家IPM要求的死區(qū)時(shí)間參數(shù)的不同，本文從硬件電路角度出發(fā)，提出一種延時(shí)電路方案，解決了因參數(shù)調(diào)整而引起軟件的不統(tǒng)一問題，進(jìn)而為MCU的大批量mask降低成本提供可能。

    關(guān)鍵詞： IPM    死區(qū)時(shí)間 

    隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以絕緣柵雙晶體管（IGBT）為代表的功率器件在越來越多的場合得到廣泛地應(yīng)用。IGBT是VDMOS與雙極晶體管的組合器件，集MOSFET與GTR的優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的長處，又具有通態(tài)電壓低，耐壓高和承受大電流的優(yōu)點(diǎn)，特別適合于電機(jī)控制?，F(xiàn)代逐漸得到普遍推廣的變頻空調(diào)，其內(nèi)部的壓縮機(jī)控制單元就是采用以IGBT為主要功率器件的新型智能模塊（IPM）。

    IPM（智能功率模塊）即Intelligent Power Module的縮寫，它是將輸出功率器件IGBT和驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi)，與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上均有進(jìn)一步提高，而且由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故整個(gè)系統(tǒng)的尺寸減小。下面是IPM內(nèi)部的電路框圖：

    IPM內(nèi)部含有門極驅(qū)動(dòng)控制、故障檢測和多種保護(hù)電路。保護(hù)電路分別檢測過流、短路、過熱、電源欠壓等故障，當(dāng)任一故障出現(xiàn)時(shí)，內(nèi)部電路會封鎖驅(qū)動(dòng)信號并向外送出故障信號，以便外部的控制器及時(shí)處理現(xiàn)場，避免器件受到進(jìn)一步損壞。下圖是變頻空調(diào)室外壓縮機(jī)控制驅(qū)動(dòng)主電路的原理圖。

    220V交流電壓經(jīng)過由D1～D4和電解電容C1組成的橋式整流和阻容濾波電路后成為給IPM供電的直流電壓，六個(gè)開關(guān)管按照一定規(guī)律通斷，分別在U、V、W三相輸出一系列的矩形信號，通過調(diào)整矩形波的頻率與占空比達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓頻率和幅度的目的，即現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PWM（PULSE WIDTH MODULATE 脈沖寬度調(diào)制）控制技術(shù)，PWM控制技術(shù)從控制思想上可以分成四類：等脈寬PWM法、正弦波PWM法、磁鏈追蹤PWM法和電流追蹤型PWM法。不管采用何種控制方式，都必須注意U、V、W任意一相上下兩個(gè)橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通，否則直流電源將在IPM內(nèi)部形成短路，這是絕對不允許的。為了避免電源元件的切換反應(yīng)不及時(shí)可能造成的短路，一定要在控制信號之間設(shè)定互鎖時(shí)間，這個(gè)時(shí)間又叫換流時(shí)間，或者叫死區(qū)時(shí)間。

    死區(qū)時(shí)間，一般情況下軟件工程師在程序設(shè)計(jì)時(shí)就會考慮并寫進(jìn)控制軟件。但是由于不同公司生產(chǎn)的IPM，對死區(qū)時(shí)間長短的要求不盡相同，這樣軟件就會出現(xiàn)多個(gè)版本，不便于管理，并且影響CPU的MASK(掩模)工作。為了控制軟件的統(tǒng)一性，有的軟件工程師將死區(qū)時(shí)間放到芯片外擴(kuò)展的E2中，對不同公司的IPM，只需改變一下E2中的數(shù)據(jù)，即可簡單實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間的匹配。這種方法的缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本較高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到一定限制。隨著集成電路工藝的不斷改進(jìn)，各種邏輯門集成電路的價(jià)格不斷地下降，使采用硬件電路實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間設(shè)定應(yīng)用到生產(chǎn)上成為可能，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，延時(shí)時(shí)間方便可調(diào)，成本低廉。

    方案原理圖如下圖3：

    控制過程如下：

    因?yàn)镮PM控制輸入低電平有效。平時(shí)CPU輸出控制腳1處于高電平，邏輯或門輸出高電平，IPM輸入鎖定。當(dāng)CPU輸出低電平有效時(shí)，高頻瓷片電容通過電阻放電，邏輯或門輸入腳2仍然維持高電平，邏輯或門輸出高電平，IPM輸入仍然鎖定。當(dāng)電容放電完畢，或門輸入腳2變?yōu)榈碗娖綍r(shí)邏輯輸出才為低電平，IPM控制輸入有效，因此，電容放電時(shí)間就是CPU控制輸出到IPM控制輸入有效的延時(shí)時(shí)間。當(dāng)CPU控制輸出關(guān)斷即輸出重新變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，盡管電容處于充電狀態(tài)而使或門輸入腳2處于低電平，邏輯或門輸出仍然立即變?yōu)楦唠娖?，鎖定IPM輸入。上述電路只是六路IPM控制輸入的其中一路，其他五路做同樣處理，通過調(diào)整R、C的參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)所需要的延時(shí)時(shí)間。下面是一相電路控制時(shí)序圖：

    下面我們推導(dǎo)圖3所示電路中電阻和電容的選擇：

    根據(jù)電工學(xué)公式，由電阻、電容組成的一階線性串聯(lián)電路，電容電壓Uc可以用下式表示：

    Uc=Uoexp（-t/τ）                     （1）

τ為時(shí)間常數(shù)    τ=RC

在圖3所示電路中，我們選擇ST公司生產(chǎn)的高速CMOS或門電路，它的關(guān)門電平為1.35V（電源電壓為4.5V），即當(dāng)輸入電壓降至1.35/4.5U₀=0.3 U₀時(shí)，輸出電平轉(zhuǎn)換有效，因此由式（1）可以推導(dǎo)出：

t_d =-τln0.3=1.2RC                             （2）

    上式就是我們選擇R、C值的指導(dǎo)公式。

    例如：需要延時(shí)時(shí)間為10us，選擇精度為5%高頻瓷片電容，容量為103P，則

    R= 10 *10e-6/1.2C=833Ω，這樣R就可選擇精度為1%、阻值為820Ω的金屬膜電阻。

    小結(jié)：按照上述方案設(shè)計(jì)的硬件延時(shí)電路，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，可靠性極高，在實(shí)際使用時(shí)只需簡單調(diào)換一下電阻的阻值就可實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時(shí)間要求不同的IPM的控制。


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