- 探討單電源IPM模塊在交流變頻調(diào)速控制器中的應用
- 采用自舉電源技術
- 采用電平移位電路
- 采用自舉電源來驅動上橋臂的igbt
1 引言
隨著電力電子技術、計算機技術和超大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展,變頻調(diào)速系統(tǒng)趨向數(shù)字化和高集成度方向發(fā)展。傳統(tǒng)的分立元器件逐漸被高可靠性的集成元器件所代替:一方面可以減少設計電路的元器件的數(shù)量,提高設計效率和縮短開發(fā)周期,另一方面,可以大大提高系統(tǒng)的可靠性。因此,集成元器件的應用越來越廣泛。在變頻調(diào)速系統(tǒng)如工業(yè)洗衣機,變頻家電等控制系統(tǒng)中,功率驅動器件是必不可少的,智能功率模塊(ipm)就是一個典型的高度集成的功率驅動器件,由于其體積小、集成功能多、成本低、可靠性高和使用方便等諸多優(yōu)點,在中、小功率交流變頻調(diào)速器中已大量使用。本文對單電源ipm模塊在變頻調(diào)速控制器中的應用進行詳細的闡述,并結合具體的應用系統(tǒng)給出其典型應用。
2 單電源ipm模塊結構和工作原理
2.1 ipm模塊的一般特點
ipm模塊作為功率集成電路產(chǎn)品, 它使用表面貼裝技術將三相橋臂的六個igbt及其驅動電路、保護電路集成在一個模塊內(nèi),除了具有驅動功能外, 還具有很多保護功能,與傳統(tǒng)分立igbt或模塊相比,其具有體積小、功能多、可靠性高、價格便宜等優(yōu)點。ipm模塊一般具有以下特點:
(1) 內(nèi)含驅動電路;
(2) 內(nèi)含過電流保護(oc)、短路保護(sc);
(3) 內(nèi)含驅動電源欠壓保護(uv);
(4) 內(nèi)含過熱保護(oh),過熱保護是防止igbt、續(xù)流二極管(frd)過熱的保護功能;
(5)內(nèi)含報警輸出(alm),alm是向外部輸出故障報警的一種功能,當oh及下橋臂oc、uv保護動作時,通過向控制ipm的微機輸出異常信號,能即時停止系統(tǒng)。對于具體不同型號的ipm,其內(nèi)部所集成的功能可能有所差異?! ?br />
2.2 單電源ipm模塊的結構和工作原理
ipm模塊正常工作時,需要提供驅動電源?,F(xiàn)在普遍使用的ipm模塊一般需要提供四路獨立的電源,目的是防止其內(nèi)部上、下橋臂發(fā)生直通短路現(xiàn)象,但隨著功率器件集成技術發(fā)展,一些生產(chǎn)廠家,如日本三菱,日本東芝,美國仙童等,采用自舉電源技術,推出單電源ipm模塊,使得只需給ipm提供一路驅動電源,這為實現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)共地提供了可能。單電源dip-ipmps21255-e的內(nèi)部電路如圖1所示。
在圖1中,hvic1~hvic3驅動三相橋臂的上管,lvic驅動三相橋臂的下管。其中,hvic1~hvic3中集成了輸入pwm信號整形電路、電平移位電路、欠壓保護電路、igbt驅動電路,其結構示意圖如圖2所示。
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第四代ipm模塊的最大的特點就是實現(xiàn)了單電源驅動,其核心技術就是驅動電源采用自舉電源技術和電平移位電路,其原理示意圖如圖3所示。工作原理分析如下:當輸入脈沖信號為“1”時,經(jīng)過脈沖鑒別器確認,且此時無欠壓發(fā)生, 閂鎖邏輯電路上端輸出為“1”, 下端輸出為“0”, 此時,t1管導通,t2管關斷,igbt1的門極驅動電壓為+15v,igbt1導通, igbt2關斷; 反之, 當輸入脈沖信號為“0”時, igbt1關斷,igbt2導通。自舉電源由圖3中的電阻r1、自舉二極管d1和自舉電容c1組成, 當下橋臂igbt2導通時,自舉電容c1通過r1和d1充電,這里必須保證c1首次充電時, igbt2導通一定的時間,使得c1充電充分,這樣c1兩端的電壓保持為+15v,足夠驅動上橋臂的igbt1, 通過這種自舉電源技術,允許igbt1的源端在p、n之間浮動。由于采用自舉電源來驅動上橋臂的igbt,所以這里要求滿足一個條件,即在開始工作之前,必須使下橋臂開通足夠長的時間(≥200μs),以便讓自舉電容充分充電。
3 ipm模塊參數(shù)的確定
在系統(tǒng)硬件設計時,為了保證ipm長期安全可靠地工作,選擇和使用ipm模塊時,應當根據(jù)系統(tǒng)實際情況對ipm模塊以下幾個參數(shù)進行正確選擇:
(1)ipm模塊igbt的最大耐壓值vces,該值一般按略大于直流電壓的兩倍選擇,如直流側電壓為300v,則選擇ipm模塊的igbt耐壓值在600v左右;
(2)ipm模塊igbt的額定電流值ic及集電極峰值icp,icp的選擇應根據(jù)電動機的峰值電流而定,而電動機的峰值電流應由電動機的額定功率、電動機效率、電動機的線電壓、功率因數(shù)等因素有關;
(3) igbt的開關頻率fpwm,這主要根據(jù)系統(tǒng)設計需求而定,盡可能選擇留有一定余量的igbt;
(4)在應用時必須注意ipm的最小死區(qū)時間tdead,軟件設計中死區(qū)時間不能小于最小死區(qū)時間tdead;除了上述主要參數(shù)以外,還有其他一些參數(shù)也需要考慮,如igbt的最大結溫tj等,為了igbt的長時間正常工作,必須使ipm有良好的散熱條件, 如通過散熱器和強冷風扇散熱等。ipm模塊參數(shù)的選擇,主要依賴于具體的應用系統(tǒng), 只有正確選擇ipm模塊和相關的元器件,才能設計出可靠的系統(tǒng)。
4 單電源ipm模塊的應用
單電源ipm模塊應用非常廣泛,尤其在中小功率變頻系統(tǒng)中,如工業(yè)洗衣機控制用變頻器,紡織機控制用儲緯器,注塑機控制系統(tǒng)中等,家電行業(yè)應用也非常廣泛,如變頻空調(diào)、洗衣機、冰箱等。下面以ipm模塊在小功率變頻器中的實際使用情況,具體說明單電源ipm在系統(tǒng)中的應用。單電源ipm模塊在系統(tǒng)中應用示意圖如圖4所示。
由于系統(tǒng)中使用了單電源ipm模塊,即只需要給ipm模塊提供一路電源,整個系統(tǒng)可以共一個參考地,這樣可以減少用于電氣隔離用的光耦,包括6路pwm驅動信號,故障檢測信號。另外,電壓、電流檢測也可以方便地通過檢測直流側電壓和n線電流,而不需要電壓互感器和電流互感器,從而大大降低系統(tǒng)的硬件成本。
在使用中當出現(xiàn)ipm保護信號時, 應當封鎖六路pwm脈沖信號, 停止系統(tǒng)的運行, 因為有些故障可能是重復出現(xiàn)的,如短路故障;為了防止不必要的干擾信號, ipm的外圍電路的某些布線應盡可能短, 如直流母線間的平滑濾波電容及吸收電容之間的布線,ipm內(nèi)部過流檢測的外部電路元件之間的布線等;當輸入pwm信號斷路時應能及時關閉igbt,為此將六路pwm輸入信號通過接電阻和+5v電源上拉,同時為了防止輸入pwm信號的波動,應當在pwm輸入信號線上接濾波電容; ipm故障輸出端口fo在正常時應保持為高電平, 通過電阻接+5v電源上拉。除了上述主要方面外,為了更好地保護ipm模塊及整個系統(tǒng)的安全, 還應當設計必要輔助保護電路, 如過壓、欠壓檢測電路,過流/過載檢測等電路等,根據(jù)檢測的結果, 軟件應能夠及時封鎖六路pwm脈沖, 以達到保護整個系統(tǒng)的目的。
5 結束語
在中小功率變頻調(diào)速控制器中,ipm模塊是較為理想的功率器件,尤其是單電源ipm模塊。單電源ipm模塊的使用,可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,降低產(chǎn)品成本,進一步提高產(chǎn)品的可靠性和市場競爭力。
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