智能功率模塊及其自舉電路在變頻領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

唐美玲

（1.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031）

智能功率模塊及其自舉電路在變頻領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

唐美玲1、2

（1.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州 310023；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031）

傳統(tǒng)的變頻器三相逆變橋由于其橋臂三個(gè)中點(diǎn)電位不同，逆變器驅(qū)動(dòng)電源需要四路電氣上相互隔離的電源，成本很高，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。IR公司在三相逆變器驅(qū)動(dòng)模塊的基礎(chǔ)上推出了智能功率模塊（IPM），既使得逆變橋驅(qū)動(dòng)電路單一電源成為可能，又提高了系統(tǒng)自我保護(hù)和抗干擾的能力。本文給出了自舉電容電路的設(shè)計(jì)和分析，同時(shí)給出了IPM模塊在變頻器領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)計(jì)。

強(qiáng)弱電隔離；IPM模塊；自舉電容；變頻領(lǐng)域

0 引言

隨著集成技術(shù)的高度發(fā)展，為了適應(yīng)于 MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)集成電路在電平轉(zhuǎn)換、電機(jī)調(diào)速等功率驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用，美國IR公司推出了系列集成驅(qū)動(dòng)電路。其IPM（智能功率模塊）模塊正是集成了 IR21363集成驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)也將逆變橋、自舉電路和控制電路集成其中。具有體積小、集成度高、響應(yīng)快、偏值電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、內(nèi)設(shè)欠壓封鎖、成本低、易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槟孀儤蛏瞎茯?qū)動(dòng)采用內(nèi)部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源只需要一路電源，可以有效的節(jié)約成本，簡化電路。本文就IPM 模塊IRAMS10UP60B在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中自舉電路的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)以及在變頻器中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 傳統(tǒng)的逆變驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)

M57140是專門為IPM供電設(shè)計(jì)的DC-DC變換器，輸入為直流+20V，輸出為四路相互隔離直流電壓+15V。從圖1可以看出由于三相逆變電路三中點(diǎn)的電位不同，需要加在逆變橋上橋臂三個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)電源為三路相互隔離的+15V。由于對逆變橋下橋臂三個(gè)管子來說N點(diǎn)電位相同，所以下橋臂三個(gè)管子用一路+15V即可。由此可見，在傳統(tǒng)的三相逆變器驅(qū)動(dòng)電路中需要四路在電氣上相互隔離的電源。所以在電源的設(shè)計(jì)上將會(huì)增加成本，使電路更加復(fù)雜化。

圖1 為傳統(tǒng)三相逆變電路的設(shè)計(jì)圖

2 IR公司IPM模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.1 IR21363三相逆變器驅(qū)動(dòng)集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

IR公司推出了一系列 IPM 模塊，此類模塊集成了IR2136系列的三相逆變器驅(qū)動(dòng)集成電路。本文以型號為IRAMS10UP60B的IPM模塊為例來說明IPM的自舉過程及其在變頻器領(lǐng)域的應(yīng)用。在IRAMS10UP60B模塊內(nèi)部集成了三相逆變器驅(qū)動(dòng)電路IR21363，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2所示：它由三路上橋臂驅(qū)動(dòng)電路、三路下橋臂驅(qū)動(dòng)電路和控制保護(hù)電路組成。六路輸出可兼容CMOS和LSTTL低至3.3V的邏輯電平，最小可達(dá)2.5V邏輯電平[1]。另，輸出驅(qū)動(dòng)器設(shè)有專為降低驅(qū)動(dòng)器交叉?zhèn)鲗?dǎo)的大脈沖電流緩沖級。該集成電路集成了交叉?zhèn)鲗?dǎo)防護(hù)邏輯，以消除短路情況。單一集成電路封裝內(nèi) 6個(gè)通道的傳播延遲可互相配合，確保穩(wěn)定的高頻工作，從而在低速下發(fā)揮更完善的電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能，并降低可聞噪音。同時(shí)，上下橋臂輸出產(chǎn)生了低至250ns死區(qū)，能夠有效的防止逆變橋上下橋臂功率管的直通。新器件還可在過電流時(shí)切斷6個(gè)輸出電流，這項(xiàng)功能也可從IPM 模塊內(nèi)部電流傳感電阻器產(chǎn)生。每當(dāng)過電流或欠電壓而導(dǎo)致工作停止時(shí)，主控制器會(huì)收到一個(gè)開漏故障信號，可同時(shí)關(guān)斷全部6個(gè)輸出。所有過電流狀態(tài)都會(huì)經(jīng)外設(shè)于R-C網(wǎng)絡(luò)的延遲程序自動(dòng)清除。

IR2136集成電路的性能超過光耦或變壓器，并支持高頻工作，死區(qū)時(shí)間，一般接通/關(guān)斷時(shí)間為400ns。IR2136系列驅(qū)動(dòng)電路為IPM模塊提供了非常優(yōu)秀的驅(qū)動(dòng)電路。

圖2 IR21363內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 IPM模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

圖3 為IPM模塊IRAMS10UP60B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它集成了三相逆變橋VT1至VT6、自舉二極管D1、D2、D3、自舉電阻R1以及驅(qū)動(dòng)模塊IR21363和保護(hù)電路。在本模塊中，輸入信號為來自主控制芯片DSP的6路SPWM信號，分別至接HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN1、LIN2和LIN3，6路信號經(jīng)過IR21363后，生成帶死區(qū)互補(bǔ)的HO1和LO1、HO2和LO2、HO3和LO3去驅(qū)動(dòng)逆變器。同時(shí)熱敏電阻R2能夠?qū)PM模塊內(nèi)部溫度采樣并以電壓的方式顯示出來；ITRIP管腳是過流信號檢測端，用來完成過流和直通保護(hù)。FLT/EN是IPM模塊內(nèi)部故障信號：過流、直通、過壓、欠壓和過溫等的輸出端[1]。該信號傳遞給外部數(shù)字控制電路，通過外部數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)電路SVPWM信號的封鎖。

圖3 IPM模塊IRAMS10UP60B內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 IPM模塊自舉電路自舉過程分析及參數(shù)計(jì)算

3.1 自舉電路自舉過程分析

圖 4為 IRAMS10UP60B模塊上橋臂中一個(gè)橋臂IGBT管子自舉電路充放電回路圖，當(dāng)HIN1為高電平時(shí)，IR21363的驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷，此時(shí)VT1關(guān)斷，自舉電容C1通過回路①充電。相反，當(dāng)HIN1為低電平時(shí)，IR21363的驅(qū)動(dòng)電路開通，VT1開通，此時(shí)自舉電容已經(jīng)充好電，相當(dāng)于一個(gè)電源，它將通過回路②放電，給VT1提供開通的能量。

圖4 IPM模塊自舉電路結(jié)構(gòu)及充放電回路

3.2 自舉電容參數(shù)計(jì)算

自舉電容的選擇很關(guān)鍵，下橋臂導(dǎo)通時(shí)給電容充電，當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時(shí)電容依靠自身存儲(chǔ)的能量維持上橋臂柵極為高電平。如果電容選取過大，可能使下橋臂關(guān)斷時(shí)電容兩端還沒有達(dá)到要求的電壓，而電容選擇較小，則會(huì)導(dǎo)致電容存儲(chǔ)的能量不夠維持柵源電壓在上橋臂導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)為一定值[2]。

圖5 推薦的自舉電容和開關(guān)頻率示意圖[3]

圖5 為推薦的自舉電容和開關(guān)頻率示意圖，據(jù)圖，設(shè)計(jì)人員根據(jù)使用功率管的頻率就可以選擇電容的大小。比如開關(guān)頻率為15KHz，那么選擇C=2.2μF的鉭電容作為自舉電容。

4 IPM模塊在變頻領(lǐng)域的應(yīng)用

圖6為IPM模塊在變頻器領(lǐng)域的逆變橋電路示意圖。系統(tǒng)采用的DSP芯片

TMS320LF2407為電動(dòng)機(jī)控制的專用芯片，其內(nèi)部集成了電機(jī)控制專用模塊“事件管理器（EV）”，可通過增量式光電編碼器接口測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和角位移，通過捕捉功能測量脈寬，能夠產(chǎn)生頻率為10kHz以上的三相六路互補(bǔ)的SPWM波形。它還包含兩個(gè)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳(PDPINTAx，x-A或B)，當(dāng)IPM過壓、過流、短路及溫度的急劇上升時(shí)，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設(shè)置為高阻態(tài),實(shí)現(xiàn)了故障保護(hù)[4]。T?AD和I?AD分別為采集的芯片內(nèi)部溫度和電流信號，該信號傳送給DSP,當(dāng)溫度、電流、電壓超過界限值的時(shí)候，DSP通過程序設(shè)計(jì)發(fā)出IPM使能信號IPM?EN會(huì)自動(dòng)關(guān)斷SPWM波形，保護(hù)IPM模塊。另，DSP完成系統(tǒng)的自檢、控制命令的接收與執(zhí)行、速度和電流信號的采集、速度回路與電流回路的控制算法以及SVPWM信號產(chǎn)生等功能。C8（C7）、C10（C9）和C12（C11）為自舉電容(鉭電容和陶瓷電容)。IPM模塊和DSP的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制的全數(shù)字化，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，功能穩(wěn)定。

圖6 IPM模塊在變頻器上的逆變橋電路

5 結(jié)論

對比圖1和圖6可以看出，IR公司的IPM模塊集成了三相逆變驅(qū)動(dòng)器、三相逆變橋、內(nèi)部自舉元器件和多元化的保護(hù)電路。它運(yùn)用一路電源（+15V）能夠驅(qū)動(dòng)三相逆變器驅(qū)動(dòng)電路，比傳統(tǒng)的逆變驅(qū)動(dòng)電路節(jié)省三路電源，能夠大大的節(jié)約成本，縮短開發(fā)周期[5]。IPM模塊的高集成度能夠有效的減少電路設(shè)計(jì)的元器件和PCB布板的線路，從而提高產(chǎn)品的抗干擾性能力，同時(shí)能縮短設(shè)計(jì)的周期。其內(nèi)部還有過（欠）電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU．它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。IR公司的IPM 以其高可靠性，使用方便，為變頻領(lǐng)域帶來了革命性的進(jìn)步，尤其適合于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，是變頻調(diào)速、煤礦機(jī)械、電力牽引、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。

[1] 周志敏, 周繼海, 紀(jì)愛華. .IGBT和IPM及其應(yīng)用電路[K]. 北京: 人民郵電出版社, 2006: 81-99.

[2] 黃真, 王艷, 殷天明. 小功率電動(dòng)汽車用SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)與CAN通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械與電子, 2010(6): 45-47.

[3] Integrated Power Hybrid IC for Appliance Motor Drive Applications. International Rectifier's, 2006.

[4] 劉虹. IPM在電力機(jī)車大功率開關(guān)電源中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010, 20(331): 169-170.

[5] 徐長軍, 張宏權(quán). .IPM智能率模塊的設(shè)計(jì)與分析[J].世界電子元器件, 2008, 9(3): 82-84.

DNV舉辦“國際可持續(xù)管理系統(tǒng)ISRS”中國論壇

DNV于2013年9月13日在北京成功舉辦了“國際可持續(xù)管理系統(tǒng)ISRS”中國論壇, 這是ISRS論壇首次在大中國區(qū)域召開。近40位來自大中國地區(qū)石油與天然氣、煉化、核電等行業(yè)的客戶代表參加了此次會(huì)議。

國際可持續(xù)管理系統(tǒng)ISRS是一個(gè)全球領(lǐng)先的衡量、改善并展示企業(yè)業(yè)務(wù)健康的系統(tǒng)，代表了安全與可持續(xù)發(fā)展管理的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本屆論壇圍繞ISRS的主題展開，向與會(huì)代表介紹了ISRS的發(fā)展歷史和未來展望、實(shí)現(xiàn)卓越QSHE管理績效的企業(yè)的ISRS最佳實(shí)踐案例、QSHE管理可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與機(jī)遇、如何建立一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的QSHE管理鏈條等議題，及ISRS最新動(dòng)態(tài)，如ISRS管道專業(yè)版、ISRS第九版、Summit評估軟件、BSCAT事件/事故調(diào)查工具，基于事件管理和風(fēng)險(xiǎn)管理的Synergi軟件等。

ISRS自引入中國之日起便致力于協(xié)助企業(yè)管理風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理并建立國際標(biāo)桿。DNV與中石油、中廣核等眾多企業(yè)已進(jìn)行了多年的合作，利用ISRS系統(tǒng)幫助其對現(xiàn)有的QHSE管理體系進(jìn)行了梳理與完善。論壇上，來自中廣核和安美特的嘉賓與在座來賓們分享了其企業(yè)運(yùn)用ISRS管理系統(tǒng)，并在DNV的ISRS咨詢團(tuán)隊(duì)的協(xié)助下，提高了QHSE管理體系文件的符合性、適宜性、有效性，通過科學(xué)評估了解企業(yè)QHSE管理實(shí)際水平，與其他類似企業(yè)進(jìn)行對標(biāo)，并針對QHSE管理措施的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)一步改善QHSE績效的成功經(jīng)驗(yàn)。本屆論壇同時(shí)也為業(yè)界同仁提供了一個(gè)良好的交流平臺(tái)，與會(huì)者紛紛對分享企業(yè)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)表示了進(jìn)一步交流的興趣。

“本次論壇提供了DNV客戶和專家進(jìn)行交流學(xué)習(xí)的一個(gè)平臺(tái)，大家對ISRS服務(wù)和產(chǎn)品的高度認(rèn)可促使我們精益求精，為國內(nèi)的QSHE管理績效提升做出我們的貢獻(xiàn)?！盌NV大中國區(qū)石油與天然氣部可持續(xù)發(fā)展中心總經(jīng)理李助興先生說。

The Design and Application of Intelligent Power Module and a Bootstrap Circuit in Inverter Domain

Tang Mei-ling1、2
(1. Hangzhou Wanxiang Polytechnic, Hangzhou 310004, China; 2. College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Because the neutral levels are different in the traditional three phase inverter bridge, it needs four power supplies which are electrical isolated respectively. This will increase the cost and render the circuit complex. The IPM of IR company integrates the bootstrap circuit and only needs single power supply, which will decrease the cost and reduce the interference. This paper proposes the circuit design and the calculation of the boot-strap capacitors.

electrical isolation; IPM; boot-strap capacitors; frequency converter

TM464

A

浙江省教育廳2011年度資助項(xiàng)目(Y201122734)；浙江省高等教育學(xué)會(huì)2012年高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目資助（Y201232）

唐美玲（1975-），女，碩士。主要從事電力電子變頻器領(lǐng)域的設(shè)計(jì)。