智能功率模塊及其自舉電路在變頻領域的設計和應用

唐美玲

（1.杭州萬向職業技術學院，浙江杭州 310023；2.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 610031）

智能功率模塊及其自舉電路在變頻領域的設計和應用

唐美玲1、2

（1.杭州萬向職業技術學院，浙江杭州 310023；2.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 610031）

傳統的變頻器三相逆變橋由于其橋臂三個中點電位不同，逆變器驅動電源需要四路電氣上相互隔離的電源，成本很高，電路結構復雜。IR公司在三相逆變器驅動模塊的基礎上推出了智能功率模塊（IPM），既使得逆變橋驅動電路單一電源成為可能，又提高了系統自我保護和抗干擾的能力。本文給出了自舉電容電路的設計和分析，同時給出了IPM模塊在變頻器領域應用的設計。

強弱電隔離；IPM模塊；自舉電容；變頻領域

0 引言

隨著集成技術的高度發展，為了適應于 MOSFET、IGBT驅動集成電路在電平轉換、電機調速等功率驅動中的應用，美國IR公司推出了系列集成驅動電路。其IPM（智能功率模塊）模塊正是集成了 IR21363集成驅動電路，同時也將逆變橋、自舉電路和控制電路集成其中。具有體積小、集成度高、響應快、偏值電壓高、驅動能力強、內設欠壓封鎖、成本低、易于調試等優點。因為逆變橋上管驅動采用內部自舉電容上電，使得驅動電源只需要一路電源，可以有效的節約成本，簡化電路。本文就IPM 模塊IRAMS10UP60B在電機驅動中自舉電路的結構原理和設計以及在變頻器中的應用進行了探討。

1 傳統的逆變驅動電源電路設計

M57140是專門為IPM供電設計的DC-DC變換器，輸入為直流+20V，輸出為四路相互隔離直流電壓+15V。從圖1可以看出由于三相逆變電路三中點的電位不同，需要加在逆變橋上橋臂三個管子的驅動電源為三路相互隔離的+15V。由于對逆變橋下橋臂三個管子來說N點電位相同，所以下橋臂三個管子用一路+15V即可。由此可見，在傳統的三相逆變器驅動電路中需要四路在電氣上相互隔離的電源。所以在電源的設計上將會增加成本，使電路更加復雜化。

圖1 為傳統三相逆變電路的設計圖

2 IR公司IPM模塊的內部結構

2.1 IR21363三相逆變器驅動集成電路的內部結構及其特點

IR公司推出了一系列 IPM 模塊，此類模塊集成了IR2136系列的三相逆變器驅動集成電路。本文以型號為IRAMS10UP60B的IPM模塊為例來說明IPM的自舉過程及其在變頻器領域的應用。在IRAMS10UP60B模塊內部集成了三相逆變器驅動電路IR21363，其內部結構圖2所示：它由三路上橋臂驅動電路、三路下橋臂驅動電路和控制保護電路組成。六路輸出可兼容CMOS和LSTTL低至3.3V的邏輯電平，最小可達2.5V邏輯電平[1]。另，輸出驅動器設有專為降低驅動器交叉傳導的大脈沖電流緩沖級。該集成電路集成了交叉傳導防護邏輯，以消除短路情況。單一集成電路封裝內 6個通道的傳播延遲可互相配合，確保穩定的高頻工作，從而在低速下發揮更完善的電機轉矩性能，并降低可聞噪音。同時，上下橋臂輸出產生了低至250ns死區，能夠有效的防止逆變橋上下橋臂功率管的直通。新器件還可在過電流時切斷6個輸出電流，這項功能也可從IPM 模塊內部電流傳感電阻器產生。每當過電流或欠電壓而導致工作停止時，主控制器會收到一個開漏故障信號，可同時關斷全部6個輸出。所有過電流狀態都會經外設于R-C網絡的延遲程序自動清除。

IR2136集成電路的性能超過光耦或變壓器，并支持高頻工作，死區時間，一般接通/關斷時間為400ns。IR2136系列驅動電路為IPM模塊提供了非常優秀的驅動電路。

圖2 IR21363內部結構

2.2 IPM模塊的內部結構及其特點

圖3 為IPM模塊IRAMS10UP60B的內部結構圖，它集成了三相逆變橋VT1至VT6、自舉二極管D1、D2、D3、自舉電阻R1以及驅動模塊IR21363和保護電路。在本模塊中，輸入信號為來自主控制芯片DSP的6路SPWM信號，分別至接HIN1、HIN2、HIN3、LIN1、LIN1、LIN2和LIN3，6路信號經過IR21363后，生成帶死區互補的HO1和LO1、HO2和LO2、HO3和LO3去驅動逆變器。同時熱敏電阻R2能夠將IPM模塊內部溫度采樣并以電壓的方式顯示出來；ITRIP管腳是過流信號檢測端，用來完成過流和直通保護。FLT/EN是IPM模塊內部故障信號：過流、直通、過壓、欠壓和過溫等的輸出端[1]。該信號傳遞給外部數字控制電路，通過外部數字電路實現電路SVPWM信號的封鎖。

圖3 IPM模塊IRAMS10UP60B內部結構

3 IPM模塊自舉電路自舉過程分析及參數計算

3.1 自舉電路自舉過程分析

圖 4為 IRAMS10UP60B模塊上橋臂中一個橋臂IGBT管子自舉電路充放電回路圖，當HIN1為高電平時，IR21363的驅動電路關斷，此時VT1關斷，自舉電容C1通過回路①充電。相反，當HIN1為低電平時，IR21363的驅動電路開通，VT1開通，此時自舉電容已經充好電，相當于一個電源，它將通過回路②放電，給VT1提供開通的能量。

圖4 IPM模塊自舉電路結構及充放電回路

3.2 自舉電容參數計算

自舉電容的選擇很關鍵，下橋臂導通時給電容充電，當上橋臂導通時電容依靠自身存儲的能量維持上橋臂柵極為高電平。如果電容選取過大，可能使下橋臂關斷時電容兩端還沒有達到要求的電壓，而電容選擇較小，則會導致電容存儲的能量不夠維持柵源電壓在上橋臂導通時間內為一定值[2]。

圖5 推薦的自舉電容和開關頻率示意圖[3]

圖5 為推薦的自舉電容和開關頻率示意圖，據圖，設計人員根據使用功率管的頻率就可以選擇電容的大小。比如開關頻率為15KHz，那么選擇C=2.2μF的鉭電容作為自舉電容。

4 IPM模塊在變頻領域的應用

圖6為IPM模塊在變頻器領域的逆變橋電路示意圖。系統采用的DSP芯片

TMS320LF2407為電動機控制的專用芯片，其內部集成了電機控制專用模塊“事件管理器（EV）”，可通過增量式光電編碼器接口測量電機的轉速、轉向和角位移，通過捕捉功能測量脈寬，能夠產生頻率為10kHz以上的三相六路互補的SPWM波形。它還包含兩個功率驅動保護中斷引腳(PDPINTAx，x-A或B)，當IPM過壓、過流、短路及溫度的急劇上升時，只要PDPINTx的中斷未被屏蔽，則該引腳將被拉低，所有的事件管理器輸出引腳均被硬件設置為高阻態,實現了故障保護[4]。T?AD和I?AD分別為采集的芯片內部溫度和電流信號，該信號傳送給DSP,當溫度、電流、電壓超過界限值的時候，DSP通過程序設計發出IPM使能信號IPM?EN會自動關斷SPWM波形，保護IPM模塊。另，DSP完成系統的自檢、控制命令的接收與執行、速度和電流信號的采集、速度回路與電流回路的控制算法以及SVPWM信號產生等功能。C8（C7）、C10（C9）和C12（C11）為自舉電容(鉭電容和陶瓷電容)。IPM模塊和DSP的結合，實現了電機控制的全數字化，使得系統的設計結構簡單，實現方便，功能穩定。

圖6 IPM模塊在變頻器上的逆變橋電路

5 結論

對比圖1和圖6可以看出，IR公司的IPM模塊集成了三相逆變驅動器、三相逆變橋、內部自舉元器件和多元化的保護電路。它運用一路電源（+15V）能夠驅動三相逆變器驅動電路，比傳統的逆變驅動電路節省三路電源，能夠大大的節約成本，縮短開發周期[5]。IPM模塊的高集成度能夠有效的減少電路設計的元器件和PCB布板的線路，從而提高產品的抗干擾性能力，同時能縮短設計的周期。其內部還有過（欠）電壓，過電流和過熱等故障檢測電路，并可將檢測信號送到 CPU．它由高速低功耗的管芯和優化的門極驅動電路以及快速保護電路構成。IR公司的IPM 以其高可靠性，使用方便，為變頻領域帶來了革命性的進步，尤其適合于驅動異步電機的變頻器和各種逆變電源，是變頻調速、煤礦機械、電力牽引、伺服驅動、變頻家電的一種非常理想的電力電子器件。

[1] 周志敏, 周繼海, 紀愛華. .IGBT和IPM及其應用電路[K]. 北京: 人民郵電出版社, 2006: 81-99.

[2] 黃真, 王艷, 殷天明. 小功率電動汽車用SR電機驅動與CAN通信系統設計[J]. 機械與電子, 2010(6): 45-47.

[3] Integrated Power Hybrid IC for Appliance Motor Drive Applications. International Rectifier's, 2006.

[4] 劉虹. IPM在電力機車大功率開關電源中的應用[J]. 現代電子技術, 2010, 20(331): 169-170.

[5] 徐長軍, 張宏權. .IPM智能率模塊的設計與分析[J].世界電子元器件, 2008, 9(3): 82-84.

DNV舉辦“國際可持續管理系統ISRS”中國論壇

DNV于2013年9月13日在北京成功舉辦了“國際可持續管理系統ISRS”中國論壇, 這是ISRS論壇首次在大中國區域召開。近40位來自大中國地區石油與天然氣、煉化、核電等行業的客戶代表參加了此次會議。

國際可持續管理系統ISRS是一個全球領先的衡量、改善并展示企業業務健康的系統，代表了安全與可持續發展管理的最佳實踐經驗。本屆論壇圍繞ISRS的主題展開，向與會代表介紹了ISRS的發展歷史和未來展望、實現卓越QSHE管理績效的企業的ISRS最佳實踐案例、QSHE管理可持續發展的挑戰與機遇、如何建立一個可持續發展的QSHE管理鏈條等議題，及ISRS最新動態，如ISRS管道專業版、ISRS第九版、Summit評估軟件、BSCAT事件/事故調查工具，基于事件管理和風險管理的Synergi軟件等。

ISRS自引入中國之日起便致力于協助企業管理風險，實現標準化管理并建立國際標桿。DNV與中石油、中廣核等眾多企業已進行了多年的合作，利用ISRS系統幫助其對現有的QHSE管理體系進行了梳理與完善。論壇上，來自中廣核和安美特的嘉賓與在座來賓們分享了其企業運用ISRS管理系統，并在DNV的ISRS咨詢團隊的協助下，提高了QHSE管理體系文件的符合性、適宜性、有效性，通過科學評估了解企業QHSE管理實際水平，與其他類似企業進行對標，并針對QHSE管理措施的薄弱環節，進一步改善QHSE績效的成功經驗。本屆論壇同時也為業界同仁提供了一個良好的交流平臺，與會者紛紛對分享企業的實施經驗表示了進一步交流的興趣。

“本次論壇提供了DNV客戶和專家進行交流學習的一個平臺，大家對ISRS服務和產品的高度認可促使我們精益求精，為國內的QSHE管理績效提升做出我們的貢獻。”DNV大中國區石油與天然氣部可持續發展中心總經理李助興先生說。

The Design and Application of Intelligent Power Module and a Bootstrap Circuit in Inverter Domain

Tang Mei-ling1、2
(1. Hangzhou Wanxiang Polytechnic, Hangzhou 310004, China; 2. College of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Because the neutral levels are different in the traditional three phase inverter bridge, it needs four power supplies which are electrical isolated respectively. This will increase the cost and render the circuit complex. The IPM of IR company integrates the bootstrap circuit and only needs single power supply, which will decrease the cost and reduce the interference. This paper proposes the circuit design and the calculation of the boot-strap capacitors.

electrical isolation; IPM; boot-strap capacitors; frequency converter

TM464

A

浙江省教育廳2011年度資助項目(Y201122734)；浙江省高等教育學會2012年高校實驗室工作研究項目資助（Y201232）

唐美玲（1975-），女，碩士。主要從事電力電子變頻器領域的設計。