IPM自舉電路設(shè)計(jì)難題探討

實(shí)現(xiàn)自舉有兩個關(guān)鍵問題：一是自舉電容的初始充電;二是自舉電容充完電后，當(dāng)下臂關(guān)斷后上臂并未立即導(dǎo)通，而在從下臂關(guān)斷到上臂導(dǎo)通期間，電容會放電，因此必須保證少量放電后電容電壓仍有驅(qū)動能力。如果以上兩個問題未能處理好，將導(dǎo)致即使PWM波形正常，IPM也不能工作，因?yàn)樽耘e電壓不足以驅(qū)動上臂導(dǎo)通。

　　本文介紹了IPM自舉電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理，并重點(diǎn)研究了自舉電容初始充電問題，通過在控制程序中執(zhí)行簡單的初始充電語句，很好地解決了上述關(guān)鍵問題，并在項(xiàng)目中取得良好的充電效果。

　　1 IPM模塊自舉電路基
本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和原理

　　電壓自舉，就是利用電路自身產(chǎn)生比輸入電壓更高的電壓。

　　基于電容儲能的電壓自舉電路通常是利用電容對電荷的存儲作用來實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)電壓的提升。電壓自舉電路利用電荷轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行工作，通過存儲電容，把電荷從輸入轉(zhuǎn)移到輸出，提供負(fù)載所需要的電流。圖1給出了雙倍壓電壓自舉電路的基本原理。

　　假設(shè)所有開關(guān)均為理想開關(guān)，電容為理想電容。當(dāng)開關(guān)S1和S3閉合時，電源VCC給電容C充電使其電壓達(dá)到VCC。然后開關(guān)S1和S3斷開，S2閉合，直接接到電容C的低壓端，此時電容C上仍然保持有前一個相位存儲的電荷VCC×C。由于在S2閉合時，電容C上的電荷量不能突變，因此有：(V0-VCC)×C=VCC×C，即V0=2VCC。

　　在沒有直流負(fù)載的情況下，通過圖1所示的電路，在理想情況下，輸出可達(dá)到輸入電壓的兩倍。

　　2 自舉電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題研究

　　本項(xiàng)目的IPM型號選用IGCM20F60GA[2]。圖2是IPM自舉電路原理圖。由圖2可知，自舉元件一端接電路的輸入部分，另一端接到同相位的輸出電路部分，借輸入、輸出的同相變化，把自己抬舉起來，即自舉元件引入的是正極性的反饋。

　　對原理圖中第一路自舉電路進(jìn)行分析[3-4]。IPM模塊自舉電路僅由自舉電阻R62、自舉二極管D9和自舉電容E1組成，因此簡單可靠。其電路基本工作過程為：當(dāng)VS因?yàn)橄聵虮酃β势骷?dǎo)通被拉低到接近地電位GND時，控制電源VCC會通過R62和D9給自舉電容E1充電。當(dāng)上橋臂導(dǎo)通，VS上升到直流母線電壓后，自舉二極管D9反向截止，從而將直流母線電壓與VCC隔離，以防止直流母線側(cè)的高壓串到控制電源低壓側(cè)而燒壞元器件。此時E1放電，給上橋臂功率器件的門極提供驅(qū)動電壓。當(dāng)VS再次被拉低時，E1將再次通過VCC充電以補(bǔ)充上橋臂導(dǎo)通期間E1上損失的電壓。這種自舉供電方式就是利用VS端的電平在高低電平之間不停地?cái)[動來實(shí)現(xiàn)的。如圖2所示，自舉電路給E1充電，E1的電壓基于上橋臂輸出晶體管源極電壓上下浮動。

　　由于運(yùn)行過程中反復(fù)地對自舉電容進(jìn)行充放電，因此必須選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，保證自舉電容上的電壓在電機(jī)運(yùn)行時保持高于欠壓鎖定電平。

　　由上述分析可知，要保證E1的跌落電壓能夠得到及時、完全的補(bǔ)充，自舉電路對下橋臂最小導(dǎo)通時間有一定的要求。但是若能正確選擇各元器件參數(shù)，自舉電路對下橋臂最小導(dǎo)通時間的限制將會大大降低。

　　2.1 自舉電容E1的選擇

　　自舉電容E1需要根據(jù)自舉電容所能得到的最低充電電壓來選擇。實(shí)際應(yīng)用中可以應(yīng)用以下簡化公式來初步計(jì)算E1：

　　式中，ΔVBS為自舉電路在上橋臂功率器件導(dǎo)通時所允許的最大電壓降，VF為自舉二極管正向壓降，VBSmin為所要求的最低上橋臂驅(qū)動電壓，VBSUV為上橋臂控制電壓的欠壓保護(hù)值，Vsat為下橋臂功率器件的飽和壓降，THON為上橋臂的最大導(dǎo)通時間，ILeak為IPM模塊規(guī)格書中所提供的上橋臂功率器件驅(qū)動所需的最大額定電流值。這樣只要選定ΔVBS即可快速計(jì)算出E1。但是考慮到各元器件參數(shù)的分布性和應(yīng)用電路的可靠性，實(shí)際使用的E1應(yīng)當(dāng)選擇為計(jì)算值的2～3倍。本項(xiàng)目選擇的是47 μF/25 V的電解電容。

　　2.2 自舉電阻R62的選擇

　　自舉電阻R62的作用是限制dVBS/dt。為了保證自舉電容能夠在下橋臂最小導(dǎo)通時間充電ΔVBS，所以：

　　式中，TLON為下橋臂的最小導(dǎo)通時間。本項(xiàng)目中自舉電阻R62取22 Ω。

　　2.3 自舉二極管D9的選擇

　　因?yàn)樽耘e二極管起到隔離直流母線高壓和控制電源低壓的作用，必須阻斷直流干線上的高壓，才能保護(hù)IC器件不受損壞, 所以選擇D9時應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮二極管耐壓、反向截止時間和正向?qū)妷航祹讉€參數(shù)。二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應(yīng)選擇耐高壓的反向漏電流小的超快恢復(fù)二極管。本項(xiàng)目選用的自舉二極管型號為BYV36C。