IPM自舉電路設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵問題研究

楊孔梁，文小琴，游林儒

（華南理工大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州510640）

通常IPM模塊應(yīng)有四路獨(dú)立電源供電，下橋臂三個IGBT控制電路共用一個獨(dú)立電源，上橋臂三個IGBT控制電路用三個獨(dú)立電源。對于小功率IPM，可以由自舉電路將其他三路電壓進(jìn)行自舉而得到三個獨(dú)立電源[1]。IPM模塊通過將功率器件、驅(qū)動電路和保護(hù)電路高度集成在一塊很小封裝基板上，使得功率模塊應(yīng)用單一電源供電成為可能。

為了簡化設(shè)計(jì)，驅(qū)動電路已普遍采用單一控制電源方案。使用單一電源，必須滿足兩個要求：一是保證控制電源能夠?yàn)樯蠘虮酃β势骷峁┱_的門極偏置電壓；二是保證直流母線上的高壓不致串到控制電源電路而燒壞元器件。通常使用自舉電路法來實(shí)現(xiàn)IPM模塊的單一電源供電。

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。

圖1 電壓自舉電路示意圖

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：

圖2 IPM自舉電路原理圖

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。

3 自舉電容初始充電過程及控制方法

3.1 初始充電分析及實(shí)現(xiàn)程序

在自舉電容的初始充電過程中，較大的初始充電電流有可能給系統(tǒng)可靠性帶來不利影響。這是因?yàn)檩^大的電流沖擊一方面對控制電源器件造成沖擊，另一方面增大了初始充電階段上下橋臂直通的風(fēng)險。由此可見應(yīng)當(dāng)盡量避免下橋臂長時間開通的自舉電容初始充電方法。

實(shí)際應(yīng)用中可采用脈沖串的方法，分多次給自舉電容充電，直到自舉電容充滿。這樣可有效減小初始充電過程中的充電電流。

本項(xiàng)目采用瑞薩SH7125作為控制芯片，軟件上采用了一種簡單實(shí)用的方法實(shí)現(xiàn)了自舉電容的初始充電。具體的做法是：在每次更新PWM占空比時，先判斷占空比的值，若小于0.056，則認(rèn)為電機(jī)的給定速度為零，并以此作為進(jìn)入充電程序的判斷條件。如下面的程序所示：

由上述程序可知，通過程序預(yù)定的方式給定直流無刷電機(jī)的換相順序，使得 U、V、W 三相進(jìn)行錯位充電，即每一次只給某一相的自舉電容充電并依次循環(huán)直到三相都充滿。

該控制程序的優(yōu)點(diǎn)在于上臂被禁止輸出，所以不存在上下臂直通的危險，且只要占空比小于0.056時就對自舉電容充電，能保證自舉電容能充滿。通過將初始充電控制語句放在PWM更新函數(shù)里，保證了初始充電的實(shí)時性，很好地解決了實(shí)現(xiàn)自舉的關(guān)鍵問題。

3.2 自舉電壓波形及分析

圖3是實(shí)測的自舉電壓波形。由圖3分析可知，初始充電近似階躍函數(shù)。在0.1 s時，就能充電到14 V，即上述初始充電程序能快速完成初始充電；在0.2 s時，電機(jī)開始運(yùn)行，自舉電容放電。由圖3還可知，在運(yùn)行階段，自舉電容電壓基本穩(wěn)定在14 V，幾乎在電機(jī)停止的瞬間，自舉電容電壓迅速充電到15 V，然后開始慢慢放電。

圖3 自舉電壓波形

由上述分析可知，本項(xiàng)目采用的自舉電容初始充電的方法簡單實(shí)用，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中取得良好的效果。

本文分析了自舉電路的基本原理，并在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)際項(xiàng)目，介紹了自舉電路各元器件的選型，通過將初始充電控制程序放在PWM更新函數(shù)中，保證了充電的實(shí)時性，在應(yīng)用中取得了良好的IPM驅(qū)動效果，為自舉電容的初始充電提供了一個簡單實(shí)用可靠的方案?？傊诶碚撝笇?dǎo)的基礎(chǔ)上，使得控制算法和硬件參數(shù)緊密相關(guān)，并在實(shí)際系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試并最終確定參數(shù)，以便最大程度地保證電路的可靠性。

[1]李正中，孫德剛.高壓浮動MOSFET柵極驅(qū)動技術(shù)[J].通信電源技術(shù)，2003（3）：37-40.

[2]O¨ZKILIC M C.HONSBERG M，RADKE T.A novel intelligent power module(IPM)in a compact transfer mold package with new high voltage integrated circuit(HVIC)and integrated bootstrap diodes[C].IEEE 14th International Power Electronics and Motion Control Conference，EPE-PEMC 2010.

[3]PARL S，JAHNS T.M.A self boost charge pump topology for a gate drive high-side power supply[J].IEEE Trans.on Power Electronics，2005，20(2)：300-307.

[4]ALI R，DAUT I，TAIB S，et al.Design of high-Side MOSFET driver using discrete components for 24 V operation[J].IEEE The 4th International Power Engineering and Optimization Conference.(PEOCO2010)，Shah Alam，Selangor，MALAYSIA： 23-24 2010.