北京永光高特微電機有限公司
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IPM在無刷直流電動機控制器中的應用

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4517

摘要:為縮短主功率電路的設計周期,提高可靠性,提出了一種基于IPM的270 V、10 kW無刷直流電動機控制器設計方法,并采用新型PWM一輪斬,從而簡化了主功率電路及驅動設計過程,很大程度上減弱主功率電路分布參數對其安全運行的威脅,并且輪斬使得功率驅動可靠復位,功率器件發熱均勻,母線電壓無泵升。通過負載試驗和波形測試,驗證了設計的可行性。

1主功率及驅動電路設計方案

   本項目控制器基本指標為270 V、50 A。為縮短控制器研制周期,提高可靠性,采用IPM設計主功率電路。IPM的電壓等級通常為600 V和1 200V;1 200 V對應于3相380 V交流輸入;600V對應單相220 V交流輸人;電流選擇通常為額定電流的兩倍。本項目中選取IPM型號為PMl50CLA060?;緟禐槟蛪?00 V、最大工作電流150 A;主功率元件為第五代ICBT(CSTBT)芯片

   IPM分6單元和7單元。7單元所多出來的1只IGBT用于防止母線電壓泵升過高,瀉放母線電容電荷。選用6單元還是7單元取決于續流回路。如果續流電流回饋至母線電容,應選擇7單元;如若續流電流只流經續流二極管、IGBT和電機繞組,則選用6單元即可。本項目控制對象為無刷直流電動機(BLDCM),兩管導通,PWM斬波方式為輪斬,因而選用6單元。

   在IPM中,6單元結構相同;圖1為一個單元結構圖。它是將IGBT及其驅動IC做在一起,從控制端來看,需要一組電源(Vcc和Gnd,+15 V),控制輸入信號(In)和故障輸出信號(Fo,OC門輸出)。圖中R2為報警輸出限流電阻,OT為過熱檢測,R2為電流檢測電阻;驅動IC通過檢測Si端的電壓,來檢測流過IGBT的電流。由于IPM將功率

元件和驅動IC做成一體,并且有6個單元,組建成三相全橋結構,而且BLDCM也是三相星型結構,兩者匹配。

    圖l IPM內部單元結構圖

2 PWM斬波方式設計

   BLDCM兩相導通常用的PWM斬波方式有5種:1)上下受同一PWM控制;2)上斬下不斬;3)上不斬下斬;4)導通管前60°電角度常通。后60°電角度斬波;5)導通管后60°電角度常通,前60°電角度斬波。前3種斬波方式比較常用。第一種存在明顯泵升,故第2)、3)使用更為普遍,但存在兩個問題,一是上下管發熱不均衡,二是對于驅動故障(上電欠壓、起動過流)不能自動復位,特別是對于IR2130、IR2110等,表現為上電后電機不轉,手轉動電機后才能起動。第4)、5)種雖然克服功率元件發熱不均問題,但同樣不易克服驅動故障復位問題,同時實現起來困難。

   本文中提出一種新的斬波方式,稱之為輪斬。測試波形如圖2所示。圖中波形l和2分別對應上管和下管PWM信號。以這種斬波方式,在某一個PWM周期T中,上管斬波,下管常通;在接下來的一個周期中,上管常通,下管斬波。依次交替循環。實現輪斬的方法可能較多,目前已實現的方法有兩種:一是在邏輯電路中,用PWM發生器SG3525發出的兩路互補PWM信號經邏輯門電路合成;二是在數字電路DSP+CPLD中,DSP發出一路PWM信

號,經CPLD軟分解、合成產生兩路。PWM。

   圖2上下管PWM輪斬測試渡彤

3 IPM接口電路設計

   對于三相全橋功率驅動需要4路電源:3個上管各用一路(自舉或獨立電源),3個下管公用一路驅動電源(由于它們的發射極E是接在一起的)。本例中IPM需要4路隔離的+15 V電源,上3管不能選用自舉供電。電源容量要求是上3管一樣,同為lO mA,下3管公用一路,為25 mA。實際項目中選擇了4個24 V/15 V、100mA的DC/DC。

   控制信號及報警輸出接口電路圖3所示。圖中所示為1個單元接口圖。本IPM有6個單元,接口電路同圖3,只不過下橋臂3個單元公用一路控制電源,并且3個F0端內部連接在一起,對外只有一個F0端,加上上3管的故障輸出Fo,共有4路F0輸出。R1的作用是報警時F0低電平(OC門輸出),限制流人F0端的電流。

   IPM接口電路中主要器件是兩只光耦,即U1和U2,U1用來將IPM報警信號輸出的,沒有頻率要求,因而選用低速光耦PC817即可;U2是PWM信號隔離通道,要保證一定的頻帶。由于控制信號頻率較高(10 kHz左右),因而光耦要選擇高速、高共模比光耦。本系列IPM要求控制輸入光耦的高、低電平響應延時tp、tp<0.8μs,CMR>

10 kv/μs。常用滿足要求的有兩種:Agilent的HCPLA504和Toshiba的TLP759(IGM),我們選用的是HCPL4504。其tpHL_、tPLH<0.4μs,CMR>15 kV/μs,在應用中應注意以下幾點:(1)7腳和8腳短接;(2)由于電流傳輸比較低(約32%),為保證輸出端飽和輸出3 mA(提拉電阻R約l mA,以及IPM輸出2 mA),原邊電流應在lO mA以上。

本設計中原邊電流約15 mA。(3)輸出端到IPM引腳引線距離盡量小于2cm(防止噪聲誤動作)。

    圖3 IPM單元接口電路

 控制輸入、光耦輸入端設計看似簡單,實際也很有講究。常說光耦是隔離器件,在低頻電路中可以這樣認為,但在高頻電路中會有所變化。這是由于光耦原副邊存在寄生電容,如圖4中的C1。當下管在高頻通斷中,該橋臂上管光耦輸出地的電壓(相對母線地)在O V一270 V之間隨著PWM同頻變化。在這樣的dV/dt下,會有脈沖電流如圖4中粗線所示。這樣會導致上管誤導通,從而產生橋臂直通。因而光耦原邊采用OC門設計是不安全的。

    圖4光耦誤導通機理

   為避免由于寄生電容和dV/dt帶來的誤導通問題,解決的方法一是減小光耦原、副邊寄生電容,特別在布線時,原、副邊盡可能遠。二是使得光耦原邊在關斷期間二極管兩端阻抗盡可能小。本設計采用光耦電路如圖5所示。當光耦原邊關斷時,三極管Q1導通,此時由于寄生電容C1和dV/出產生的電流不會經過光耦原邊二極管,也就不

會產生誤導通。

   總結IPM接口電路設計,應注意的有兩點:一是光耦周邊電路設計要合理,避免控制信號不能傳遞或誤導通;二是光耦應和IPM控制端子盡可能近,要求≤2 cm,如何做到?只能將光耦接口電路做成接口板,板上焊有IPM專用插座,直接插在IPM控制信號端子上。

   圖5光耦周邊采用電路

4負載實驗和波形測試

   控制器在設計、制作完成后,進行了負載實驗。BLDCM以滿占空比、三相六狀態運行。由于電機功率較大,故加載采用對拖方式:由BLDCM拖動一直流電機,直流電機繞組并上功率電阻箱。BLDCM轉動后通過調節直流電機勵磁來實現調節BLDCM的負載。波型測試由電機綜合測試儀WT3000來檢測、記錄。

   縱坐標標尺說明:以圖6U1(線電壓)為例,頂端指示450 V指的是從0位到頂端滿共450 V,不是一格450 V。所以圖6上半部分一格電壓為112.5 V。橫坐標標尺表示滿共(10格)10 ms。

   從圖6中可看出相繞組電流(由于星型接法,也就是線電流)每通電120°后停止60°,而且在120°通電區間,有一次換相,電流波形左右對稱。

圖7中數據記錄按兩表法接線測量。Element|(A相)、Element2(B相)以及Element3(母線)3列數據中,電壓和電流是實測值,其余為計算值,所有數據均為有效值。從Element3可看出目線電壓為269 V,母線電流為54.5 A。線電流波形清晰,沒有誤導通或缺導通現象。

 圖6空載線電壓、線電流波形圖

    圖7 10%過載數據記錄及線電流波形圖

5結語

   通過負載實驗,驗證了本文基于IPM設計的主功率電路的可行性,為快速設計中、大功率BLDCM控制器提供了可能;同時文中提出了一種新型斬波方式一輪斬,使得功率器件發熱均衡、無泵升以及驅動電路故障可靠復位。

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