名稱:智能模塊IPM在雙PWM變頻器中的應用
前言
變頻技術自發展以來，隨著技術的進步，變頻器的功率器件也經歷了從SCR, GTO到IGBT的發展歷程，控制方式也從最初的v/f控制，發展到矢量控制，直接轉矩控制。然而，電力變換技術的進步和電力變換器的廣泛應用也帶來了很多弊端，其產生的公害－電磁干擾以及諧波污染已成為世人關注的社會問題。而雙PWM變頻調速技術以其可以實現電機的四象限運行、能量轉換效率高、能量能雙向流動，尤其是能方便地實現電網側輸入功率因數近似為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採用六個IGBT開關管進行控制，如果採用單獨的IGBT開關管再加上續流二極體，勢必會使得變頻器的體積增大，即加大了設計的複雜性又增加成本。而採用IPM智能模塊就可以很方便的節約成本和減少體積。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，它內部具有低功耗、軟開關、高性能及擁有過熱保護的高可靠性IGBT。內置有過電流保護、短路保護、控制電壓欠壓保護、過熱保護及外部輸出警報埠。用這樣的模塊作為雙PWM變頻器的功率器件，大大簡化了硬體電路的設計，縮小了電源體積，簡化了接線，大大縮短了開發周期，更主要的是，它提高了系統的安全性和可靠性。
IPM智能模塊介紹
結構原理
IPM智能模塊 6MBP20RH060的內部結構原理如圖1所示，其內部集成了六個帶續流二極體的IGBT。從內部結構可以看出，上橋臂的三個IGBT分別由各自的電源供電，分別有三組結構相同的輸入，每一組包括電源輸入端、驅動輸入端、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，具體設計將在下文中給出。
圖1 IPM智能模塊 6MBP20RH060的內部結構圖
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模塊就可以達到設計的要求。
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期間內連續超過過電流保護標準，則會軟關斷IGBT。並且裝有檢測濾波器，可以防止因瞬間過電流及噪音而導致的誤動作。
(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期間內連續低於控制電源電壓不足保護電壓時，該功能會軟關斷IGBT。約過2ms后，控制電源電壓恢復后，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晶元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，當檢測溫度連續超過保護標準約1ms以上時，會軟關斷IGBT。
(5)晶元溫度過熱保護功能。該功能將通過在全部IGBT晶元上的溫度檢測元件來檢測IGBT晶元溫度，當檢測溫度連續超過保護標準約1ms以上時，會軟關斷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電位GND導通，有能力以放開集電極輸出，直接驅動光耦器，內置1.5KΩ的串聯電阻。保護功能動作時，警報信號輸出約持續2ms，當警報原因消除時，再經過2ms以上，而且輸入信號為OFF的話，則警報解除。下橋臂各驅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的下橋臂全部IGBT停止。
圖2基於IPM的雙PWM變頻調速系統框圖
圖3 IPM驅動的典型電路
圖4 IPM故障輸出典型電路
基於IPM智能模塊的電路設計
主電路設計
雙PWM變頻調速系統，整流和逆變部分均採用可控的開關器件來實現，即採用兩個IPM智能模塊來分別實現其功能，結構框圖如圖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。核心控制元件採用TI公司的TMS320LF2407DSP，該晶元是一款專為電機控制設計的DSP，不僅具有普通信號處理器的高速運算功能，還有豐富的片內外設，尤其是其具有兩個事件管理器，共12路PWM輸出，正好用於控制雙PWM變頻系統的12個開關管的控制，為了防止同一橋臂的上下IGBT通知導通，可以很方便的在DSP中設置死區時間。
IPM驅動電路設計
IPM驅動採用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，適用於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於2cm。故障輸出光耦合器接入IPM智能模塊的ALM輸出端，是當發生故障時，向外部輸出信號以封鎖PWM信號，這裡的光耦不需採用高速光耦，可以採用東芝的 TLP521光耦，其典型電路如圖4所示。其中C端表示控制埠，當故障發生時，可以將外部控制或保持PWM信號的晶元封鎖，關斷所有的PWM信號輸入，即可保護IGBT。
IPM控制電源電路設計
IPM控制電源要求範圍是13.5V~16.5V，盡量是在15V值下工作，當電壓低於13.5V時損耗會增加，保護特性會漂移，會導致保護功能不夠充分，致使IPM損壞。因此說對於IPM來說，控制電源是非常重要的，直接影響整個系統的性能。IPM控制電源可以採用開關電源，如TOPSwitch系列的單片開關電源，也可以採用7815等組成的電源，設計電路比較簡單，在圖3、圖4中就已經可以看到電源的接法了。但設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迴路，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，不可為節約成本使用一套電源，否則會造成短路事故。
結語
雙PWM變頻調速系統以其優越的性能越來越受關注，但整流部分由原先的整流二極體替換成可控器件勢必增加了成本，然而IPM智能模塊的出現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計提供了極大的方便。因此採用IPM智能模塊設計雙PWM變頻調速系統具有電路設計簡單、保護措施完善、體積小等特點，具有很好的發展前景。
