單電源IPM模塊在交流變頻調(diào)速控制器中的應(yīng)用

第四代ipm模塊的最大的特點就是實現(xiàn)了單電源驅(qū)動，其核心技術(shù)就是驅(qū)動電源采用自舉電源技術(shù)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(dāng)輸入脈沖信號為“1”時，經(jīng)過脈沖鑒別器確認(rèn)，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(dǎo)通，t2管關(guān)斷，igbt1的門極驅(qū)動電壓為+15v，igbt1導(dǎo)通， igbt2關(guān)斷; 反之， 當(dāng)輸入脈沖信號為“0”時， igbt1關(guān)斷，igbt2導(dǎo)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(dāng)下橋臂igbt2導(dǎo)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(dǎo)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(qū)動上橋臂的igbt1， 通過這種自舉電源技術(shù)，允許igbt1的源端在p、n之間浮動。由于采用自舉電源來驅(qū)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。

自舉電源和電平移位電路原理圖

3 ipm模塊參數(shù)的確定

在系統(tǒng)硬件設(shè)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(yīng)當(dāng)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(cè)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(yīng)根據(jù)電動機的峰值電流而定，而電動機的峰值電流應(yīng)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(guān);

(3) igbt的開關(guān)頻率fpwm，這主要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求而定，盡可能選擇留有一定余量的igbt;

(4)在應(yīng)用時必須注意ipm的最小死區(qū)時間tdead，軟件設(shè)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(jié)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(fēng)扇散熱等。ipm模塊參數(shù)的選擇，主要依賴于具體的應(yīng)用系統(tǒng)， 只有正確選擇ipm模塊和相關(guān)的元器件，才能設(shè)計出可靠的系統(tǒng)。

4 單電源ipm模塊的應(yīng)用

單電源ipm模塊應(yīng)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(yīng)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(yīng)用。單電源ipm模塊在系統(tǒng)中應(yīng)用示意圖如圖4所示。

單電源ipm模塊的應(yīng)用系統(tǒng)

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(qū)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(cè)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(dāng)出現(xiàn)ipm保護信號時， 應(yīng)當(dāng)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(fù)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(yīng)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(dāng)輸入pwm信號斷路時應(yīng)能及時關(guān)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(yīng)當(dāng)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(yīng)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(yīng)當(dāng)設(shè)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(jié)果， 軟件應(yīng)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(jié)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。