前言
變頻技術(shù)自發(fā)展以來，隨著技術(shù)的進步，變頻器的功率器件也經(jīng)歷了從SCR, GTO到IGBT的發(fā)展歷程，控制方式也從最初的v/f控制，發(fā)展到矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，電力變換技術(shù)的進步和電力變換器的廣泛應(yīng)用也帶來了很多弊端，其產(chǎn)生的公害－電磁干擾以及諧波污染已成為世人關(guān)注的社會問題。而雙PWM變頻調(diào)速技術(shù)以其可以實現(xiàn)電機的四象限運行、能量轉(zhuǎn)換效率高、能量能雙向流動，尤其是能方便地實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)近似為1，消除了諧波污染等特點已成為研究的一個熱點。
雙PWM變頻器中整流及逆變部分均需要采用六個IGBT開關(guān)管進行控制，如果采用單獨的IGBT開關(guān)管再加上續(xù)流二極管，勢必會使得變頻器的體積增大，即加大了設(shè)計的復(fù)雜性又增加成本。而采用IPM智能模塊就可以很方便的節(jié)約成本和減少體積。文中所介紹的IPM智能模塊是富士公司型號為6MBP20RH060的IPM智能
模塊，它內(nèi)部具有低功耗、軟開關(guān)、高性能及擁有過熱保護的高可靠性IGBT。內(nèi)置有過電流保護、短路保護、控制電壓欠壓保護、過熱保護及外部輸出警報端口。用這樣的模塊作為雙PWM變頻器的功率器件，大大簡化了硬件電路的設(shè)計，縮小了電源體積，簡化了接線，大大縮短了開發(fā)周期，更主要的是，它提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。
IPM智能模塊介紹
結(jié)構(gòu)原理
IPM智能模塊6MBP20RH060的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其內(nèi)部集成了六個帶續(xù)流二極管的IGBT。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出，上橋臂的三個IGBT分別由各自的電源供電，分別有三組結(jié)構(gòu)相同的輸入，每一組包括電源輸入端、驅(qū)動輸入端、接地端。下橋臂的三個IGBT由同一個電源供電，電路有電源輸入端、三個驅(qū)動輸入端、接地端。ALM管腳的作用是保護電路動作時下橋臂警報輸出，6MBP20RH060型號不具備上橋臂橋臂警報輸出，只有下橋臂橋臂警報輸出。 IPM智能模塊的U、V、W為模塊的三相交流電輸入或輸出，P、N1、N2為模塊的直流電輸出或輸入，具體設(shè)計將在下文中給出。
圖1 IPM智能模塊6MBP20RH060的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
電氣特性
該模塊的電氣性能為額定電流20A，耐壓值為600V，直流母線耐壓值450V，浪涌值為500V。最大開關(guān)頻率為20KHz。在雙PWM變頻器中，整流和逆變部分均使用該性能的IPM模塊就可以達(dá)到設(shè)計的要求。
保護功能
(1)過電流保護。檢測連接在直流N母線上的電流檢測分流電阻R(見圖1中)的兩端電壓來進行過電流保護。在約5ms期間內(nèi)連續(xù)超過過電流保護標(biāo)準(zhǔn)，則會軟關(guān)斷IGBT。并且裝有檢測濾波器，可以防止因瞬間過電流及噪音而導(dǎo)致的誤動作。
(2)短路保護功能。在短路保護動作時，全部短路保護連動，來抑制負(fù)載短路及橋臂短路時的峰值電流。
(3)控制電源電壓下降保護功能。控制電源電壓在約5ms期間內(nèi)連續(xù)低于控制電源電壓不足保護電壓時，該功能會軟關(guān)斷IGBT。約過2ms后，控制電源電壓恢復(fù)后，如果輸入信號為OFF，則警報解除。
(4)外殼溫度過熱保護功能。該保護功能通過與功率芯片安裝在同一陶瓷基板上的溫度檢測元件來檢測絕緣基板溫度，當(dāng)檢測溫度連續(xù)超過保護標(biāo)準(zhǔn)約1ms以上時，會軟關(guān)斷IGBT。
(5)芯片溫度過熱保護功能。該功能將通過在全部IGBT芯片上的溫度檢測元件來檢測IGBT芯片溫度，當(dāng)檢測溫度連續(xù)超過保護標(biāo)準(zhǔn)約1ms以上時，會軟關(guān)斷IGBT。
(6)警報輸出功能。保護功能動作時，警報輸出端子相對各基準(zhǔn)電位GND導(dǎo)通，有能力以放開集電極輸出，直接驅(qū)動光耦器，內(nèi)置1.5KΩ的串聯(lián)電阻。保護功能動作時，警報信號輸出約持續(xù)2ms，當(dāng)警報原因消除時，再經(jīng)過2ms以上，而且輸入信號為OFF的話，則警報解除。下橋臂各驅(qū)動電路的警報端子相互連接，所以任何一個IGBT一旦輸出警報，則包括制動電路在內(nèi)的下橋臂全部IGBT停止。
圖2 基于IPM的雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖
圖3 IPM驅(qū)動的典型電路
圖4 IPM故障輸出典型電路
基于IPM智能模塊的電路設(shè)計
主電路設(shè)計
雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，整流和逆變部分均采用可控的開關(guān)器件來實現(xiàn)，即采用兩個IPM智能模塊來分別實現(xiàn)其功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在雙PWM變頻器整流部分IPM智能模
塊的U、V、W作為三相交流電的輸入端，P、N分別是整流輸出的直流電壓的正、負(fù)極，逆變部分的IPM智能模塊的U、V、W作為三相交流電的輸出端，可直接接電機等被控對象，P、N作為直流輸入端可直接接整流部分的直流輸出段，即P-P、N-N連接。N1和N2短接作為N端。核心控制元件采用TI公司的TMS320LF2407DSP，該芯片是一款專為電機控制設(shè)計的DSP，不僅具有普通信號處理器的高速運算功能，還有豐富的片內(nèi)外設(shè)，尤其是其具有兩個事件管理器，共12路PWM輸出，正好用于控制雙PWM變頻系統(tǒng)的12個開關(guān)管的控制，為了防止同一橋臂的上下IGBT通知導(dǎo)通，可以很方便的在DSP中設(shè)置死區(qū)時間。
IPM驅(qū)動電路設(shè)計
IPM驅(qū)動采用Agilent(安捷倫)公司的高速、高共模比的光耦HCPL-4504。該光耦具有極短的寄生延時，適用于IPM使用；瞬時共模；IPM專用的電氣隔離；TTL兼容等特點。圖3所示為IPM上橋臂一組驅(qū)動的典型電路接線圖。接線中要注意幾點：光耦的7、8腳要短接；IPM功率越大上拉電阻值越小；光耦副邊的引線要盡量小于2cm。故障輸出光耦合器接入IPM智能模塊的ALM輸出端，是當(dāng)發(fā)生故障時，向外部輸出信號以封鎖PWM信號，這里的光耦不需采用高速光耦，可以采用東芝的TLP521光耦，其典型電路如圖4所示。其中C端表示控制端口，當(dāng)故障發(fā)生時，可以將外部控制或保持PWM信號的芯片封鎖，關(guān)斷所有的PWM信號輸入，即可保護IGBT。
IPM控制電源電路設(shè)計
IPM控制電源要求范圍是13.5V~16.5V，盡量是在15V值下工作，當(dāng)電壓低于13.5V時損耗會增加，保護特性會漂移，會導(dǎo)致保護功能不夠充分，致使IPM損壞。因此說對于IPM來說，控制電源是非常重要的，直接影響整個系統(tǒng)的性能。IPM控制電源可以采用開關(guān)電源，如TOPSwitch系列的單片開關(guān)電源，也可以采用7815等組成的電源，設(shè)計電路比較簡單，在圖3、圖4中就已經(jīng)可以看到電源的接法了。但設(shè)計中要注意兩個問題：一是上橋臂三組電源及下橋臂一組電源各自組成一個回路，即四組電源是絕緣的，切不可將其共地。二是兩個IPM模塊要使用兩套(每套四個絕緣電源)電源，不可為節(jié)約成本使用一套電源，否則會造成短路事故。
結(jié)語
雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)越的性能越來越受關(guān)注，但整流部分由原先的整流二極管替換成可控器件勢必增加了成本，然而IPM智能模塊的出現(xiàn)不僅為降低成本提供了可能性，而且其高度的集成性和保護性能為設(shè)計提供了極大的方便。因此采用IPM智能模塊設(shè)計雙PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)具有電路設(shè)計簡單、保護措施完善、體積小等特點，具有很好的發(fā)展前景。