一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊的設(shè)計

引言

智能功率模塊是一種先進的功率開關(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)動功率的優(yōu)點,而且它的內(nèi)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(tǒng)的體積,縮短了開發(fā)時間,還大大增強了系統(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)的方式進行控制。對于傳統(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: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(xiàn)微處理器與智能功率模塊的連接。

但是,在實際應(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)每個橋臂上下兩個開關(guān)管是互補的,同時在H橋雙極性PWM調(diào)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(tǒng)智能功率模塊在實際應(yīng)用中需要更多的外圍電路設(shè)計,這不僅增加了電路設(shè)計和脈寬調(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PWM輸入進行靈活配置,能夠減少智能功率模塊外圍電路設(shè)計和調(diào)制策略的復(fù)雜度,節(jié)約設(shè)計和控制成本。

1設(shè)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(shè)定引腳進行配置,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(nèi)部通過硬件電路實現(xiàn),從而每個橋臂只需要1路PWM信號,即可實現(xiàn)對上下管的控制:雙極性模式是指基于智能功率模塊實現(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)正負調(diào)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(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,命名為A1和A0,通過配置引腳A1和A0的電平,可以實現(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,對應(yīng)互補模式:當(dāng)(A1,A0)=(0,0)時,對應(yīng)雙極性模式:當(dāng)(A1,A0)=(0,1)或(1,1)時,對應(yīng)通用模式,默認模式為通用模式。

2具體電路設(shè)計

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)對智能功率模塊的6路開關(guān)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(guān)管進行控制,從而實現(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,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個數(shù)據(jù)選擇模塊組成,數(shù)據(jù)選擇電路2由1個數(shù)據(jù)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(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A0,數(shù)據(jù)選擇電路2受控于模式設(shè)定信號A1。

單個數(shù)據(jù)選擇模塊的電路設(shè)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)信號輸出:最終由數(shù)據(jù)選擇控制信號SEL實現(xiàn)對IN1和IN2的選擇。

單個死區(qū)延遲模塊的電路設(shè)計如圖5所示,其功能主要是實現(xiàn)對IN引腳輸入的單路PWM信號進行上下橋臂開關(guān)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(jīng)過阻容網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(jīng)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(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)延遲電路得以實現(xiàn),接下來對多模式配置電路實現(xiàn)過程進行分析。當(dāng)控制引腳A0為高電平時,數(shù)據(jù)選擇電路1使控制信號Up、Un、Vp、Vn、wp、wn通過,從而實現(xiàn)通用模式的配置。當(dāng)控制引腳A0為低電平時,數(shù)據(jù)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(jù)引腳A1進行配置,當(dāng)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(dāng)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(xiàn)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(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)計方案,可以根據(jù)實際設(shè)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(shè)計和調(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,本設(shè)計還保留了傳統(tǒng)智能功率模塊的工作模式,提高了應(yīng)用的兼容性。