采用脈寬調(diào)制控制方式的逆變電路解析方案

1 引言

無源逆變技術(shù)在交流電動(dòng)機(jī)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(yīng)用。而脈寬調(diào)制技術(shù)更是以其諧波抑制、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、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(guān)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(fù)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(jì)算機(jī)的利用率;另外，大功率電力電子器件的保護(hù)和控制都比較困難，驅(qū)動(dòng)電路也較復(fù)雜。這些因素都阻礙了逆變技術(shù)的發(fā)展，降低了裝置的可靠性。本文介紹一種將 80C196MC單片機(jī)的片內(nèi)波形發(fā)生器(WFG)和智能功率模塊(IPM)應(yīng)用于逆變電路的實(shí)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(jī)所獨(dú)有的特點(diǎn)，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。

Intel 80C196MC/MD單片機(jī)中的波形發(fā)生器有3個(gè)同步的PWM模塊(圖1中只畫出一個(gè))，每個(gè)模塊包括一個(gè)相位比較寄存器WG-COMP、一個(gè)無信號(DEAD TIME)時(shí)間發(fā)生器和一對可編程輸出。在重裝寄存器WG-RELOAD、雙向計(jì)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(shí)間。保護(hù)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(shí)禁止WFG的全部6個(gè)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(dú)立的3對PWM波形，但它們有共同的載波頻率、無信號時(shí)間和操作方式。

以中心對準(zhǔn)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(shí)，雙向計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)，原始輸出有效。當(dāng)W-COUNT=WG-COMP時(shí)，輸出變?yōu)闊o效。然后計(jì)數(shù)器繼續(xù)向上計(jì)數(shù)，直到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)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(yīng)值重裝載入相位比較寄存器為止。再后來計(jì)數(shù)器便向下計(jì)數(shù)。這期間一對互補(bǔ)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?。?dāng)計(jì)數(shù)器向下計(jì)數(shù)到1時(shí)，又開始向上計(jì)數(shù)。如此反復(fù)即可在WGx和WGx上產(chǎn)生一對互補(bǔ)SPWM輸出波形。

為防止一對互補(bǔ)的PWM同時(shí)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(shè)置了無信號時(shí)間發(fā)生器。當(dāng)WG-COUNT=WG -COMP時(shí)，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(dòng)一個(gè)10位無信號時(shí)間計(jì)數(shù)器，其計(jì)數(shù)值由WG-CON專用寄存器的低10位 D9～D0裝入，并使得計(jì)數(shù)器的輸出DT為低電平，然后每個(gè)狀態(tài)周期計(jì)數(shù)減1，一直到0。這時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，DT變?yōu)楦唠娖?，從而產(chǎn)生一個(gè)死區(qū)時(shí)間來延遲輸出有效的開通時(shí)間。死區(qū)時(shí)間主要由IPM中IGBT的關(guān)斷時(shí)間決定，同時(shí)還與單片機(jī)輸出隔離器件的延遲時(shí)間有關(guān)。死區(qū)時(shí)間不能太長。因?yàn)樘L的死區(qū)時(shí)間可能導(dǎo)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(jī)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(shí)，必須計(jì)算正弦函數(shù)值或者查正弦函數(shù)表以獲得對應(yīng)時(shí)刻的正弦值。

3 智能功率模塊

電力電子器件是電力電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)。各種新型的電力電子器件不斷涌現(xiàn)推動(dòng)了電力電子技術(shù)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(fù)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(fù)合，它把MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速率快的特點(diǎn)和GTR通態(tài)壓降小、載波能力大的優(yōu)點(diǎn)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(shù)的主導(dǎo)器件。但是在實(shí)際電路中，大功率、高頻率的開關(guān)操作動(dòng)態(tài)條件非常荷刻。功率電路，緩沖電路還有門極驅(qū)動(dòng)電路必須設(shè)計(jì)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(shí)地環(huán)路和雜散電容還會引起嚴(yán)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(gè)環(huán)節(jié)沒有設(shè)計(jì)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(dòng)和保護(hù)電路集于一體的功率模塊。該模塊通過使用一種先進(jìn)的在線監(jiān)控電流傳感器IGBT來實(shí)現(xiàn)高效的過電流和短路保護(hù)。IPM的過溫保護(hù)和低電壓閉鎖保護(hù)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(jié)構(gòu)緊湊，從而大大減小了整個(gè)裝置的外形尺寸。下面結(jié)合PM100CSA120的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說明其原理和保護(hù)功能。