80C196MC波形發(fā)生器和智能功率模塊在逆變器中的應用

1 引言

無源逆變技術在交流電動機調(diào)速、不間斷電源、交-直-交變頻電路等方面已經(jīng)有了非常廣泛的應用。而脈寬調(diào)制技術更是以其諧波抑制、動態(tài)響應、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，從而降低了計算機的利用率；另外，大功率電力電子器件的保護和控制都比較困難，驅(qū)動電路也較復雜。這些因素都阻礙了逆變技術的發(fā)展，降低了裝置的可靠性。本文介紹一種將 80C196MC單片機的片內(nèi)波形發(fā)生器（WFG）和智能功率模塊（IPM）應用于逆變電路的實現(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單片機所獨有的特點，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，其結構如圖1所示。

Intel 80C196MC/MD單片機中的波形發(fā)生器有3個同步的PWM模塊（圖1中只畫出一個），每個模塊包括一個相位比較寄存器WG-COMP、一個無信號（DEAD TIME）時間發(fā)生器和一對可編程輸出。在重裝寄存器WG-RELOAD、雙向計數(shù)器WG-COUNT和比較器1地組合工作下即可產(chǎn)生載波信號?？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的時間。保護寄存器WG-PRO的功能是在軟件控制或外部事件的作用下，同時禁止WFG的全部6個輸出。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)生獨立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式。

圖2 以中心對準工作方式0為例來說明波形發(fā)生器產(chǎn)生PWM波形的原理。開始時，雙向計數(shù)器向上計數(shù)，原始輸出有效。當W-COUNT=WG-COMP時，輸出變?yōu)闊o效。然后計數(shù)器繼續(xù)向上計數(shù)，直到計數(shù)器計數(shù)達到峰頂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值重裝載入相位比較寄存器為止。再后來計數(shù)器便向下計數(shù)。這期間一對互補輸出均無效。直至WG-COUNT再次等于WG-COMP的值而使輸出又變?yōu)橛行А．斢嫈?shù)器向下計數(shù)到1時，又開始向上計數(shù)。如此反復即可在WGx和WGx上產(chǎn)生一對互補SPWM輸出波形。

為防止一對互補的PWM同時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中設置了無信號時間發(fā)生器。當WG-COUNT=WG -COMP時，相位比較器產(chǎn)生一跳變信號，跳變檢測器檢測到此跳變后，啟動一個10位無信號時間計數(shù)器，其計數(shù)值由WG-CON專用寄存器的低10位 D9～D0裝入，并使得計數(shù)器的輸出DT為低電平，然后每個狀態(tài)周期計數(shù)減1，一直到0。這時計數(shù)器停止計數(shù)，DT變?yōu)楦唠娖?，從而產(chǎn)生一個死區(qū)時間來延遲輸出有效的開通時間。死區(qū)時間主要由IPM中IGBT的關斷時間決定，同時還與單片機輸出隔離器件的延遲時間有關。死區(qū)時間不能太長。因為太長的死區(qū)時間可能導致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，必須計算正弦函數(shù)值或者查正弦函數(shù)表以獲得對應時刻的正弦值。

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3 智能功率模塊

電力電子器件是電力電子技術的重要基礎。各種新型的電力電子器件不斷涌現(xiàn)推動了電力電子技術的發(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的復合，它把MOSFET的驅(qū)動功率小、開關速率快的特點和GTR通態(tài)壓降小、載波能力大的優(yōu)點集于一身，因而性能十分優(yōu)越，從而使之成為現(xiàn)代電力電子技術的主導器件。但是在實際電路中，大功率、高頻率的開關操作動態(tài)條件非常荷刻。功率電路，緩沖電路還有門極驅(qū)動電路必須設計到足以承受di/dt和dv/dt極限值。如果過電壓就會發(fā)生。同時地環(huán)路和雜散電容還會引起嚴重的噪聲問題。因此合理的布局對于IGBT的可靠性和工作效率是非常重要的。哪一個環(huán)節(jié)沒有設計好都會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)動和保護電路集于一體的功率模塊。該模塊通過使用一種先進的在線監(jiān)控電流傳感器IGBT來實現(xiàn)高效的過電流和短路保護。IPM的過溫保護和低電壓閉鎖保護更是大大的提高了系統(tǒng)的可靠性，而且整體模塊體積小、結構緊湊，從而大大減小了整個裝置的外形尺寸。下面結合PM100CSA120的內(nèi)部結構來說明其原理和保護功能。

PM100CSA120 的內(nèi)部結構如圖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都有相應的隔離驅(qū)動電路，所以驅(qū)動信號需要隔離后再進入模塊，并且要給上橋臂每一個驅(qū)動模塊提供單獨的隔離直流電源，下橋臂因共地可共用一個直流電源。每一驅(qū)動電路都有完善的保護電路以防止器件損壞。這些保護包括以下幾方面：

（1）控制電壓低閉鎖

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

（2）溫度保護電路

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

（3）過流保護

IPM可用電流傳感型IGBT對模塊進行在線監(jiān)測，如果通過IPM的電流超過過電流門限值OC且持續(xù)時間達到toff(OC)時，保護電路將閉鎖門極驅(qū)動并產(chǎn)生故障信號。這段持續(xù)時間是為了避免通過IPM的瞬時類峰所造成的保護誤動。

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（4）短路保護

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

以上保護電路可使功率器件因操作不當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)部最佳設計的驅(qū)動電路縮短了逆變裝置的開發(fā)周期，從而也進一步提高了可靠性。

4 電路結構

使用IPM和80C196MC可使整個電路簡潔明了。雖然IPM內(nèi)部結構設計完善，但對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控制信號必須隔離后再進入IPM模式，并且需要給IPM內(nèi)部驅(qū)動保護電路提供隔離的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信號；交流輸出端的電壓電流互感器所提供的反饋信號用于自動調(diào)整逆變器的輸出電壓和頻率，同時也可作為過載保護的依據(jù)。另外，載波頻率不能太低，因為頻率較低時，口音污染比較嚴重，而且影響輸出波形；但是，載波頻率也不能太高，因為高頻的開關損耗較大，且較大的死區(qū)時間所占比例將使輸出電壓偏低。這就是80C196MC單片機片內(nèi)波形發(fā)生器在產(chǎn)生SPWM波時必須在每個載波周期內(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行。所以最好選在10kHz～15kHz范圍內(nèi)。該結構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和需要多個PWM輸出的裝置。而智能功率模塊則將功率器件、驅(qū)動電路和保護邏輯電路集成于一體，并具有智能化保護功能，特別適合于電機控制和無源逆變器。實際證明，運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)代微電子技術和電力電子技術日新月異，為集成度越來越高的微型計算機及外轉(zhuǎn)帳芯片新技術開發(fā)提供了良好的基礎，大大縮短了開發(fā)時間，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于一身，是一種很在前景的電力電子器件。