- 探討單電源IPM模塊在交流變頻調速控制器中的應用
- 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模集成電路技術的快速發展，變頻調速系統趨向數字化和高集成度方向發展。傳統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量，提高設計效率和縮短開發周期，另一方面，可以大大提高系統的可靠性。因此，集成元器件的應用越來越廣泛。在變頻調速系統如工業洗衣機，變頻家電等控制系統中，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點，在中、小功率交流變頻調速器中已大量使用。本文對單電源ipm模塊在變頻調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，除了具有驅動功能外， 還具有很多保護功能，與傳統分立igbt或模塊相比，其具有體積小、功能多、可靠性高、價格便宜等優點。ipm模塊一般具有以下特點：
（1） 內含驅動電路;
（2） 內含過電流保護（oc）、短路保護（sc）;
（3） 內含驅動電源欠壓保護（uv）;
（4） 內含過熱保護（oh），過熱保護是防止igbt、續流二極管（frd）過熱的保護功能;
（5）內含報警輸出（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。對于具體不同型號的ipm，其內部所集成的功能可能有所差異。
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。現在普遍使用的ipm模塊一般需要提供四路獨立的電源，目的是防止其內部上、下橋臂發生直通短路現象，但隨著功率器件集成技術發展，一些生產廠家，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，這為實現變頻調速系統共地提供了可能。單電源dip-ipmps21255-e的內部電路如圖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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3 ipm模塊參數的確定
在系統硬件設計時，為了保證ipm長期安全可靠地工作，選擇和使用ipm模塊時，應當根據系統實際情況對ipm模塊以下幾個參數進行正確選擇：
（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、功率因數等因素有關;
（3） igbt的開關頻率fpwm，這主要根據系統設計需求而定，盡可能選擇留有一定余量的igbt;
（4）在應用時必須注意ipm的最小死區時間tdead，軟件設計中死區時間不能小于最小死區時間tdead;除了上述主要參數以外，還有其他一些參數也需要考慮，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模塊參數的選擇，主要依賴于具體的應用系統， 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。
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中，如工業洗衣機控制用變頻器，紡織機控制用儲緯器，注塑機控制系統中等，家電行業應用也非常廣泛，如變頻空調、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在系統中的應用。單電源ipm模塊在系統中應用示意圖如圖4所示。
由于系統中使用了單電源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，從而大大降低系統的硬件成本。
在使用中當出現ipm保護信號時， 應當封鎖六路pwm脈沖信號， 停止系統的運行， 因為有些故障可能是重復出現的，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的目的。
5 結束語
在中小功率變頻調速控制器中，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，可以大大縮短產品開發周期，降低產品成本，進一步提高產品的可靠性和市場競爭力。
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