引言

智能功率模塊是一種先進的功率開關器件,具有高電流密度、耐高壓、高輸入阻抗、高開關頻率和低驅動功率的優(yōu)點,而且它的內部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路,使用方便,不僅減小了系統的體積,縮短了開發(fā)時間,還大大增強了系統可靠性,適應了當今功率器件的發(fā)展方向,因而在白色家電、變頻器、工業(yè)控制、伺服驅動等領域得到了越來越廣泛的應用。

隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,人們對智能功率模塊的模塊化、復合化和集成化需求日益提升,而傳統智能功率模塊設計愈發(fā)難以滿足這些要求。例如,當前智能功率模塊應用較多的電路配置類型為C型(內部封裝6個開關管),該電路配置的智能功率模塊主要應用方式為作為H橋或三相橋,通常采用脈寬調制(PulSewidthModulation,PWM)的方式進行控制。對于傳統的智能功率模塊的控制,在H橋模式下,需要輸入4路PWM信號:在三相橋模式下,需要輸入6路信號。同時,如圖1所示,為了保證強弱電分離、降低干擾,各路PWM信號需要通過光電隔離芯片或光纖等器件來實現微處理器與智能功率模塊的連接。

但是,在實際應用中,根據應用需求和選用的調制策略,所需要輸入的有效PWM信號數量是可以減少的。通過分析常見的H橋雙極性PWM調制策略、H橋單極性PWM調制策略和三相橋SVPWM/SPWM策略,可以發(fā)現每個橋臂上下兩個開關管是互補的,同時在H橋雙極性PWM調制策略中,正負占空比是互補的,因此,對于采用雙極性PWM控制策略的H橋,則理論上只需要1路PWM信號:對于單極性PWM控制策略的H橋,理論上只需要2路PWM信號:對于采用SVPWM/SPWM控制的三相橋,理論上只需要3路PWM信號。顯然,傳統智能功率模塊在實際應用中需要更多的外圍電路設計,這不僅增加了電路設計和脈寬調制策略的復雜性,而且需要占用更多的微處理器外設資源。

針對上述所提及的傳統智能功率模塊的不足,本文提供了一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊,可以根據應用需求,對PWM輸入進行靈活配置,能夠減少智能功率模塊外圍電路設計和調制策略的復雜度,節(jié)約設計和控制成本。

1設計思路

本文提供了一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊,通過對模式設定引腳進行配置,可以獲得滿足多種應用需求的工作模式,具體包括互補模式、雙極性模式和通用模式等三種工作模式。其中,互補模式是指每個橋臂的上下兩個功率管采用互補的PWM控制,在該模式下,死區(qū)控制在智能功率模塊內部通過硬件電路實現,從而每個橋臂只需要1路PWM信號,即可實現對上下管的控制:雙極性模式是指基于智能功率模塊實現H橋雙極性控制,該模式只需要1路PWM信號輸入,即可控制H橋實現正負調制電壓輸出:通用模式是指所有的功率管可以獨立進行控制,該種模式的應用方法和傳統的智能功率模塊是相同的。

如圖2所示,工作模式設定引腳數量為兩個,命名為A1和A0,通過配置引腳A1和A0的電平,可以實現智能功率模塊不同工作模式的設置。定義1表示高電平,0表示低電平,如表1所示,當(A1,A0)=(1,0)時,對應互補模式:當(A1,A0)=(0,0)時,對應雙極性模式:當(A1,A0)=(0,1)或(1,1)時,對應通用模式,默認模式為通用模式。

2具體電路設計

在圖2中,本文提出在智能功率模塊內部增加多模式配置電路部分,該部分根據模式設定引腳A1和A0電平狀態(tài)對智能功率模塊的6路開關管控制信號Up、Un、Vp、Vn、wp、wn進行處理,然后利用輸出處理后的信號對功率開關管進行控制,從而實現不同工作模式的設置。

圖3為多模式配置電路具體設計,其中主要包括數據選擇電路1、數據選擇電路2和死區(qū)延遲電路三部分,數據選擇電路1由6個數據選擇模塊組成,數據選擇電路2由1個數據選擇模塊組成,死區(qū)延遲電路由3個死區(qū)延遲模塊組成,輸入信號Up、Un、Vp、Vn、wp、wn進入該部分后,通過信號分路電路按照要求分別連接到數據選擇電路1、數據選擇電路2和死區(qū)延遲電路,數據選擇電路1受控于模式設定信號A0,數據選擇電路2受控于模式設定信號A1。

單個數據選擇模塊的電路設計如圖4所示,該模塊包含2路PWM控制信號輸入IN一和IN2、一路選擇控制信號SEL和1路信號輸出oUT。PWM控制信號輸入IN1與經過非門的選擇控制信號SEL連接在上面的與門上,PWM控制信號輸入IN2與選擇控制信號SEL共同連接到下方的與門上,兩個與門的輸出共同連接到一個或門上。SEL為低電平時,下方的與門輸出一直為低電平,IN2被禁止,IN1可以通過與門和或門實現信號輸出:SEL為高電平時,上方的與門輸出一直為低電平,IN1被禁止,IN2可以通過與門和或門實現信號輸出:最終由數據選擇控制信號SEL實現對IN1和IN2的選擇。

單個死區(qū)延遲模塊的電路設計如圖5所示,其功能主要是實現對IN引腳輸入的單路PWM信號進行上下橋臂開關管控制信號(oUTP和oUTN)分路,并建立死區(qū)延遲時間。對于oUTP,與門的輸入端1直接輸入PWM信號,與門的輸入端2與經過阻容網絡的PWM信號進行連接:對于oUTN,先對IN引腳輸入的PWM信號進行取反,然后進行oUTP同樣的處理。

結合圖5,可以分析出如圖6所示的PWM信號輸入和輸出示意圖,在IN引腳PWM信號上升沿時刻,信號進入上方與門的阻容網絡后,對電容進行充電直至電壓達到與門的高電平識別電壓,使oUTP輸出為高,而此時下方與門的輸出會直接跟隨PWM信號變?yōu)榈碗娖?實現對上橋臂PWM信號上升沿的延遲,阻容充電時間tP為上管開通死區(qū)延遲時間:在IN引腳PWM信號下降沿時刻,oUTP直接跟隨IN引腳的PWM信號輸出低電平,此時,下方與門經歷IN引腳PWM上升沿時刻上方與門同樣的過程,從而建立下管開通死區(qū)延遲時間tN,從而實現死區(qū)延遲模塊的功能。

數據選擇模塊和死區(qū)延遲模塊分別使數據選擇電路1、2和死區(qū)延遲電路得以實現,接下來對多模式配置電路實現過程進行分析。當控制引腳A0為高電平時,數據選擇電路1使控制信號Up、Un、Vp、Vn、wp、wn通過,從而實現通用模式的配置。當控制引腳A0為低電平時,數據選擇電路1使控制信號Upp、Upn、Vpp、Vpn、wpSp、wpSn通過,此時智能功率模塊為非通用模式狀態(tài),具體需要根據引腳A1進行配置,當A1引腳為高電平時,wpS=wp,死區(qū)延遲電路對Up、Vp、wpS三路信號進行延遲、取反,分別生成Upp和Upn、Vpp和Vpn、wpSp和wpSn的互補信號,此時為互補模式:當引腳A1為低電平時,wpS為Vp的取反信號,此時通過控制信號Vp,即可實現對由V、w橋臂所組成H橋的雙極性PWM控制,故此時為雙極性模式。

3結語

本文提出了一種新型的具有多模式配置功能的智能功率模塊設計方案,可以根據實際設計需求靈活地配置工作模式,對于采用雙極性PWM控制策略的H橋,只需要1路PWM信號:對于采用單極性PWM控制策略的H橋,只需要2路PWM信號:對于采用SVPWM/SPWM控制的三相橋,只需要3路PWM信號,降低了電路設計和調制策略的復雜性,節(jié)省了微處理器的外設資源。與此同時,本設計還保留了傳統智能功率模塊的工作模式,提高了應用的兼容性。