智能模塊IPM在雙PWM變頻器中的應(yīng)用

前言
   變頻技術(shù)自發(fā)展以來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻器的功率器件也經(jīng)歷了從SCR, GTO到IGBT的發(fā)展歷程，控制方式也從最初的v/f控制，發(fā)展到矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，電力變換技術(shù)的進(jìn)步和電力變換器的廣泛應(yīng)用也帶來(lái)了很多弊端，其產(chǎn)生的公害－電磁干擾以及諧波污染已成為世人關(guān)注的社會(huì)問題。而雙PWM變頻調(diào)速技術(shù)以其可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行、能量轉(zhuǎn)換效率高、能量能雙向流動(dòng)，尤其是能方便地實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)近似為1，消除了諧波污染等特點(diǎn)已成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

    雙PWM變頻器中整流及逆變部分均需要采用六個(gè)IGBT開關(guān)管進(jìn)行控制，如果采用單獨(dú)的IGBT開關(guān)管再加上續(xù)流二極管，勢(shì)必會(huì)使得變頻器的體積增大，即加大了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性又增加成本。而采用IPM智能模塊就可以很方便的節(jié)約成本和減少體積。文中所介紹的IPM智能模塊是富士公司型號(hào)為6MBP20RH060的IPM智能模塊，它內(nèi)部具有低功耗、軟開關(guān)、高性能及擁有過熱保護(hù)的高可靠性IGBT。內(nèi)置有過電流保護(hù)、短路保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)及外部輸出警報(bào)端口。用這樣的模塊作為雙PWM變頻器的功率器件，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，縮小了電源體積，簡(jiǎn)化了接線，大大縮短了開發(fā)周期，更主要的是，它提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

IPM智能模塊介紹

結(jié)構(gòu)原理
   IPM智能模塊6MBP20RH060的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其內(nèi)部集成了六個(gè)帶續(xù)流二極管的IGBT。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出，上橋臂的三個(gè)IGBT分別由各自的電源供電，分別有三組結(jié)構(gòu)相同的輸入，每一組包括電源輸入端、驅(qū)動(dòng)輸入端、接地端。下橋臂的三個(gè)IGBT由同一個(gè)電源供電，電路有電源輸入端、三個(gè)驅(qū)動(dòng)輸入端、接地端。ALM管腳的作用是保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)下橋臂警報(bào)輸出，6MBP20RH060型號(hào)不具備上橋臂橋臂警報(bào)輸出，只有下橋臂橋臂警報(bào)輸出。 IPM智能模塊的U、V、W為模塊的三相交流電輸入或輸出，P、N1、N2為模塊的直流電輸出或輸入，具體設(shè)計(jì)將在下文中給出。

圖1  IPM智能模塊6MBP20RH060的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電氣特性
   該模塊的電氣性能為額定電流20A，耐壓值為600V，直流母線耐壓值450V，浪涌值為500V。最大開關(guān)頻率為20KHz。在雙PWM變頻器中，整流和逆變部分均使用該性能的IPM模塊就可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。      

保護(hù)功能
   (1)過電流保護(hù)。檢測(cè)連接在直流N母線上的電流檢測(cè)分流電阻R(見圖1中)的兩端電壓來(lái)進(jìn)行過電流保護(hù)。在約5ms期間內(nèi)連續(xù)超過過電流保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)軟關(guān)斷IGBT。并且裝有檢測(cè)濾波器，可以防止因瞬間過電流及噪音而導(dǎo)致的誤動(dòng)作。

   (2)短路保護(hù)功能。在短路保護(hù)動(dòng)作時(shí)，全部短路保護(hù)連動(dòng)，來(lái)抑制負(fù)載短路及橋臂短路時(shí)的峰值電流。

   (3)控制電源電壓下降保護(hù)功能?？刂齐娫措妷涸诩s5ms期間內(nèi)連續(xù)低于控制電源電壓不足保護(hù)電壓時(shí)，該功能會(huì)軟關(guān)斷IGBT。約過2ms后，控制電源電壓恢復(fù)后，如果輸入信號(hào)為OFF，則警報(bào)解除。

   (4)外殼溫度過熱保護(hù)功能。該保護(hù)功能通過與功率芯片安裝在同一陶瓷基板上的溫度檢測(cè)元件來(lái)檢測(cè)絕緣基板溫度，當(dāng)檢測(cè)溫度連續(xù)超過保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)約1ms以上時(shí)，會(huì)軟關(guān)斷IGBT。

   (5)芯片溫度過熱保護(hù)功能。該功能將通過在全部IGBT芯片上的溫度檢測(cè)元件來(lái)檢測(cè)IGBT芯片溫度，當(dāng)檢測(cè)溫度連續(xù)超過保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)約1ms以上時(shí)，會(huì)軟關(guān)斷IGBT。

   (6)警報(bào)輸出功能。保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)，警報(bào)輸出端子相對(duì)各基準(zhǔn)電位GND導(dǎo)通，有能力以放開集電極輸出，直接驅(qū)動(dòng)光耦器，內(nèi)置1.5KΩ的串聯(lián)電阻。保護(hù)功能動(dòng)作時(shí)，警報(bào)信號(hào)輸出約持續(xù)2ms，當(dāng)警報(bào)原因消除時(shí)，再經(jīng)過2ms以上，而且輸入信號(hào)為OFF的話，則警報(bào)解除。下橋臂各驅(qū)動(dòng)電路的警報(bào)端子相互連接，所以任何一個(gè)IGBT一旦輸出警報(bào)，則包括制動(dòng)電路在內(nèi)的下橋臂全部IGBT停止。
                    
                       圖2 基于IPM的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 
                   
                              圖3  IPM驅(qū)動(dòng)的典型電路 
                   
                              圖4  IPM故障輸出典型電路
基于IPM智能模塊的電路設(shè)計(jì)

主電路設(shè)計(jì)
   雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，整流和逆變部分均采用可控的開關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用兩個(gè)IPM智能模塊來(lái)分別實(shí)現(xiàn)其功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在雙PWM變頻器整流部分IPM智能模塊的U、V、W作為三相交流電的輸入端，P、N分別是整流輸出的直流電壓的正、負(fù)極，逆變部分的IPM智能模塊的U、V、W作為三相交流電的輸出端，可直接接電機(jī)等被控對(duì)象，P、N作為直流輸入端可直接接整流部分的直流輸出段，即P-P、N-N連接。N1和N2短接作為N端。核心控制元件采用TI公司的TMS320LF2407DSP，該芯片是一款專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的DSP，不僅具有普通信號(hào)處理器的高速運(yùn)算功能，還有豐富的片內(nèi)外設(shè)，尤其是其具有兩個(gè)事件管理器，共12路PWM輸出，正好用于控制雙PWM變頻系統(tǒng)的12個(gè)開關(guān)管的控制，為了防止同一橋臂的上下IGBT通知導(dǎo)通，可以很方便的在DSP中設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 
   IPM驅(qū)動(dòng)采用Agilent(安捷倫)公司的高速、高共模比的光耦HCPL-4504。該光耦具有極短的寄生延時(shí)，適用于IPM使用；瞬時(shí)共模；IPM專用的電氣隔離；TTL兼容等特點(diǎn)。圖3所示為IPM上橋臂一組驅(qū)動(dòng)的典型電路接線圖。接線中要注意幾點(diǎn)：光耦的7、8腳要短接；IPM功率越大上拉電阻值越??；光耦副邊的引線要盡量小于2cm。故障輸出光耦合器接入IPM智能模塊的ALM輸出端，是當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，向外部輸出信號(hào)以封鎖PWM信號(hào)，這里的光耦不需采用高速光耦，可以采用東芝的TLP521光耦，其典型電路如圖4所示。其中C端表示控制端口，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，可以將外部控制或保持PWM信號(hào)的芯片封鎖，關(guān)斷所有的PWM信號(hào)輸入，即可保護(hù)IGBT。

IPM控制電源電路設(shè)計(jì) 
   IPM控制電源要求范圍是13.5V~16.5V，盡量是在15V值下工作，當(dāng)電壓低于13.5V時(shí)損耗會(huì)增加，保護(hù)特性會(huì)漂移，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)功能不夠充分，致使IPM損壞。因此說對(duì)于IPM來(lái)說，控制電源是非常重要的，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。IPM控制電源可以采用開關(guān)電源，如TOPSwitch系列的單片開關(guān)電源，也可以采用7815等組成的電源，設(shè)計(jì)電路比較簡(jiǎn)單，在圖3、圖4中就已經(jīng)可以看到電源的接法了。但設(shè)計(jì)中要注意兩個(gè)問題：一是上橋臂三組電源及下橋臂一組電源各自組成一個(gè)回路，即四組電源是絕緣的，切不可將其共地。二是兩個(gè)IPM模塊要使用兩套(每套四個(gè)絕緣電源)電源，不可為節(jié)約成本使用一套電源，否則會(huì)造成短路事故。 
 
結(jié)語(yǔ)
   雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能越來(lái)越受關(guān)注，但整流部分由原先的整流二極管替換成可控器件勢(shì)必增加了成本，然而IPM智能模塊的出現(xiàn)不僅為降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保護(hù)性能為設(shè)計(jì)提供了極大的方便。因此采用IPM智能模塊設(shè)計(jì)雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、保護(hù)措施完善、體積小等特點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。