一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊的設(shè)計(jì)

引言

智能功率模塊是一種先進(jìn)的功率開關(guān)器件,具有高電流密度、耐高壓、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動(dòng)功率的優(yōu)點(diǎn),而且它的內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護(hù)電路,使用方便,不僅減小了系統(tǒng)的體積,縮短了開發(fā)時(shí)間,還大大增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性,適應(yīng)了當(dāng)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(qū)動(dòng)等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)智能功率模塊的模塊化、復(fù)合化和集成化需求日益提升,而傳統(tǒng)智能功率模塊設(shè)計(jì)愈發(fā)難以滿足這些要求。例如,當(dāng)前智能功率模塊應(yīng)用較多的電路配置類型為C型(內(nèi)部封裝6個(gè)開關(guān)管),該電路配置的智能功率模塊主要應(yīng)用方式為作為H橋或三相橋,通常采用脈寬調(diào)制(PulSewidthModulation,PWM)的方式進(jìn)行控制。對(duì)于傳統(tǒng)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(hào):在三相橋模式下,需要輸入6路信號(hào)。同時(shí),如圖1所示,為了保證強(qiáng)弱電分離、降低干擾,各路PWM信號(hào)需要通過光電隔離芯片或光纖等器件來實(shí)現(xiàn)微處理器與智能功率模塊的連接。

但是,在實(shí)際應(yīng)用中,根據(jù)應(yīng)用需求和選用的調(diào)制策略,所需要輸入的有效PWM信號(hào)數(shù)量是可以減少的。通過分析常見的H橋雙極性PWM調(diào)制策略、H橋單極性PWM調(diào)制策略和三相橋SVPWM/SPWM策略,可以發(fā)現(xiàn)每個(gè)橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管是互補(bǔ)的,同時(shí)在H橋雙極性PWM調(diào)制策略中,正負(fù)占空比是互補(bǔ)的,因此,對(duì)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(hào):對(duì)于單極性PWM控制策略的H橋,理論上只需要2路PWM信號(hào):對(duì)于采用SVPWM/SPWM控制的三相橋,理論上只需要3路PWM信號(hào)。顯然,傳統(tǒng)智能功率模塊在實(shí)際應(yīng)用中需要更多的外圍電路設(shè)計(jì),這不僅增加了電路設(shè)計(jì)和脈寬調(diào)制策略的復(fù)雜性,而且需要占用更多的微處理器外設(shè)資源。

針對(duì)上述所提及的傳統(tǒng)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(jù)應(yīng)用需求,對(duì)PWM輸入進(jìn)行靈活配置,能夠減少智能功率模塊外圍電路設(shè)計(jì)和調(diào)制策略的復(fù)雜度,節(jié)約設(shè)計(jì)和控制成本。

1設(shè)計(jì)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(duì)模式設(shè)定引腳進(jìn)行配置,可以獲得滿足多種應(yīng)用需求的工作模式,具體包括互補(bǔ)模式、雙極性模式和通用模式等三種工作模式。其中,互補(bǔ)模式是指每個(gè)橋臂的上下兩個(gè)功率管采用互補(bǔ)的PWM控制,在該模式下,死區(qū)控制在智能功率模塊內(nèi)部通過硬件電路實(shí)現(xiàn),從而每個(gè)橋臂只需要1路PWM信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下管的控制:雙極性模式是指基于智能功率模塊實(shí)現(xiàn)H橋雙極性控制,該模式只需要1路PWM信號(hào)輸入,即可控制H橋?qū)崿F(xiàn)正負(fù)調(diào)制電壓輸出:通用模式是指所有的功率管可以獨(dú)立進(jìn)行控制,該種模式的應(yīng)用方法和傳統(tǒng)的智能功率模塊是相同的。

如圖2所示,工作模式設(shè)定引腳數(shù)量為兩個(gè),命名為A1和A0,通過配置引腳A1和A0的電平,可以實(shí)現(xiàn)智能功率模塊不同工作模式的設(shè)置。定義1表示高電平,0表示低電平,如表1所示,當(dāng)(A1,A0)=(1,0)時(shí),對(duì)應(yīng)互補(bǔ)模式:當(dāng)(A1,A0)=(0,0)時(shí),對(duì)應(yīng)雙極性模式:當(dāng)(A1,A0)=(0,1)或(1,1)時(shí),對(duì)應(yīng)通用模式,默認(rèn)模式為通用模式。

2具體電路設(shè)計(jì)

在圖2中,本文提出在智能功率模塊內(nèi)部增加多模式配置電路部分,該部分根據(jù)模式設(shè)定引腳A1和A0電平狀態(tài)對(duì)智能功率模塊的6路開關(guān)管控制信號(hào)Up、Un、Vp、Vn、wp、wn進(jìn)行處理,然后利用輸出處理后的信號(hào)對(duì)功率開關(guān)管進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)不同工作模式的設(shè)置。

圖3為多模式配置電路具體設(shè)計(jì),其中主要包括數(shù)據(jù)選擇電路1、數(shù)據(jù)選擇電路2和死區(qū)延遲電路三部分,數(shù)據(jù)選擇電路1由6個(gè)數(shù)據(jù)選擇模塊組成,數(shù)據(jù)選擇電路2由1個(gè)數(shù)據(jù)選擇模塊組成,死區(qū)延遲電路由3個(gè)死區(qū)延遲模塊組成,輸入信號(hào)Up、Un、Vp、Vn、wp、wn進(jìn)入該部分后,通過信號(hào)分路電路按照要求分別連接到數(shù)據(jù)選擇電路1、數(shù)據(jù)選擇電路2和死區(qū)延遲電路,數(shù)據(jù)選擇電路1受控于模式設(shè)定信號(hào)A0,數(shù)據(jù)選擇電路2受控于模式設(shè)定信號(hào)A1。

單個(gè)數(shù)據(jù)選擇模塊的電路設(shè)計(jì)如圖4所示,該模塊包含2路PWM控制信號(hào)輸入IN一和IN2、一路選擇控制信號(hào)SEL和1路信號(hào)輸出oUT。PWM控制信號(hào)輸入IN1與經(jīng)過非門的選擇控制信號(hào)SEL連接在上面的與門上,PWM控制信號(hào)輸入IN2與選擇控制信號(hào)SEL共同連接到下方的與門上,兩個(gè)與門的輸出共同連接到一個(gè)或門上。SEL為低電平時(shí),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(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出:SEL為高電平時(shí),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(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出:最終由數(shù)據(jù)選擇控制信號(hào)SEL實(shí)現(xiàn)對(duì)IN1和IN2的選擇。

單個(gè)死區(qū)延遲模塊的電路設(shè)計(jì)如圖5所示,其功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)IN引腳輸入的單路PWM信號(hào)進(jìn)行上下橋臂開關(guān)管控制信號(hào)(oUTP和oUTN)分路,并建立死區(qū)延遲時(shí)間。對(duì)于oUTP,與門的輸入端1直接輸入PWM信號(hào),與門的輸入端2與經(jīng)過阻容網(wǎng)絡(luò)的PWM信號(hào)進(jìn)行連接:對(duì)于oUTN,先對(duì)IN引腳輸入的PWM信號(hào)進(jìn)行取反,然后進(jìn)行oUTP同樣的處理。

結(jié)合圖5,可以分析出如圖6所示的PWM信號(hào)輸入和輸出示意圖,在IN引腳PWM信號(hào)上升沿時(shí)刻,信號(hào)進(jìn)入上方與門的阻容網(wǎng)絡(luò)后,對(duì)電容進(jìn)行充電直至電壓達(dá)到與門的高電平識(shí)別電壓,使oUTP輸出為高,而此時(shí)下方與門的輸出會(huì)直接跟隨PWM信號(hào)變?yōu)榈碗娖?實(shí)現(xiàn)對(duì)上橋臂PWM信號(hào)上升沿的延遲,阻容充電時(shí)間tP為上管開通死區(qū)延遲時(shí)間:在IN引腳PWM信號(hào)下降沿時(shí)刻,oUTP直接跟隨IN引腳的PWM信號(hào)輸出低電平,此時(shí),下方與門經(jīng)歷IN引腳PWM上升沿時(shí)刻上方與門同樣的過程,從而建立下管開通死區(qū)延遲時(shí)間tN,從而實(shí)現(xiàn)死區(qū)延遲模塊的功能。

數(shù)據(jù)選擇模塊和死區(qū)延遲模塊分別使數(shù)據(jù)選擇電路1、2和死區(qū)延遲電路得以實(shí)現(xiàn),接下來對(duì)多模式配置電路實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行分析。當(dāng)控制引腳A0為高電平時(shí),數(shù)據(jù)選擇電路1使控制信號(hào)Up、Un、Vp、Vn、wp、wn通過,從而實(shí)現(xiàn)通用模式的配置。當(dāng)控制引腳A0為低電平時(shí),數(shù)據(jù)選擇電路1使控制信號(hào)Upp、Upn、Vpp、Vpn、wpSp、wpSn通過,此時(shí)智能功率模塊為非通用模式狀態(tài),具體需要根據(jù)引腳A1進(jìn)行配置,當(dāng)A1引腳為高電平時(shí),wpS=wp,死區(qū)延遲電路對(duì)Up、Vp、wpS三路信號(hào)進(jìn)行延遲、取反,分別生成Upp和Upn、Vpp和Vpn、wpSp和wpSn的互補(bǔ)信號(hào),此時(shí)為互補(bǔ)模式:當(dāng)引腳A1為低電平時(shí),wpS為Vp的取反信號(hào),此時(shí)通過控制信號(hào)Vp,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)由V、w橋臂所組成H橋的雙極性PWM控制,故此時(shí)為雙極性模式。

3結(jié)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(shè)計(jì)方案,可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求靈活地配置工作模式,對(duì)于采用雙極性PWM控制策略的H橋,只需要1路PWM信號(hào):對(duì)于采用單極性PWM控制策略的H橋,只需要2路PWM信號(hào):對(duì)于采用SVPWM/SPWM控制的三相橋,只需要3路PWM信號(hào),降低了電路設(shè)計(jì)和調(diào)制策略的復(fù)雜性,節(jié)省了微處理器的外設(shè)資源。與此同時(shí),本設(shè)計(jì)還保留了傳統(tǒng)智能功率模塊的工作模式,提高了應(yīng)用的兼容性。