IPM自舉電路設計難題探討

實(shí)現自舉有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是自舉電容的初始充電;二是自舉電容充完電后，當下臂關(guān)斷后上臂并未立即導通，而在從下臂關(guān)斷到上臂導通期間，電容會(huì )放電，因此必須保證少量放電后電容電壓仍有驅動(dòng)能力。如果以上兩個(gè)問(wèn)題未能處理好，將導致即使PWM波形正常，IPM也不能工作，因為自舉電壓不足以驅動(dòng)上臂導通。

　　本文介紹了IPM自舉電路的基本拓撲結構和原理，并重點(diǎn)研究了自舉電容初始充電問(wèn)題，通過(guò)在控制程序中執行簡(jiǎn)單的初始充電語(yǔ)句，很好地解決了上述關(guān)鍵問(wèn)題，并在項目中取得良好的充電效果。

　　1 IPM模塊自舉電路基
本拓撲結構和原理

　　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(lái)實(shí)現電荷的轉移，從而實(shí)現電壓的提升。電壓自舉電路利用電荷轉移的方式進(jìn)行工作，通過(guò)存儲電容，把電荷從輸入轉移到輸出，提供負載所需要的電流。圖1給出了雙倍壓電壓自舉電路的基本原理。

　　假設所有開(kāi)關(guān)均為理想開(kāi)關(guān)，電容為理想電容。當開(kāi)關(guān)S1和S3閉合時(shí)，電源VCC給電容C充電使其電壓達到VCC。然后開(kāi)關(guān)S1和S3斷開(kāi)，S2閉合，直接接到電容C的低壓端，此時(shí)電容C上仍然保持有前一個(gè)相位存儲的電荷VCC×C。由于在S2閉合時(shí)，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(méi)有直流負載的情況下，通過(guò)圖1所示的電路，在理想情況下，輸出可達到輸入電壓的兩倍。

　　2 自舉電路設計中的關(guān)鍵問(wèn)題研究

　　本項目的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(lái)，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(jiǎn)單可靠。其電路基本工作過(guò)程為：當VS因為下橋臂功率器件導通被拉低到接近地電位GND時(shí)，控制電源VCC會(huì )通過(guò)R62和D9給自舉電容E1充電。當上橋臂導通，VS上升到直流母線(xiàn)電壓后，自舉二極管D9反向截止，從而將直流母線(xiàn)電壓與VCC隔離，以防止直流母線(xiàn)側的高壓串到控制電源低壓側而燒壞元器件。此時(shí)E1放電，給上橋臂功率器件的門(mén)極提供驅動(dòng)電壓。當VS再次被拉低時(shí)，E1將再次通過(guò)VCC充電以補充上橋臂導通期間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擺動(dòng)來(lái)實(shí)現的。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(dòng)。

　　由于運行過(guò)程中反復地對自舉電容進(jìn)行充放電，因此必須選擇適當的參數，保證自舉電容上的電壓在電機運行時(shí)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(shí)、完全的補充，自舉電路對下橋臂最小導通時(shí)間有一定的要求。但是若能正確選擇各元器件參數，自舉電路對下橋臂最小導通時(shí)間的限制將會(huì )大大降低。

　　2.1 自舉電容E1的選擇

　　自舉電容E1需要根據自舉電容所能得到的最低充電電壓來(lái)選擇。實(shí)際應用中可以應用以下簡(jiǎn)化公式來(lái)初步計算E1：

　　式中，ΔVBS為自舉電路在上橋臂功率器件導通時(shí)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動(dòng)電壓，VBSUV為上橋臂控制電壓的欠壓保護值，Vsat為下橋臂功率器件的飽和壓降，THON為上橋臂的最大導通時(shí)間，ILeak為IPM模塊規格書(shū)中所提供的上橋臂功率器件驅動(dòng)所需的最大額定電流值。這樣只要選定ΔVBS即可快速計算出E1。但是考慮到各元器件參數的分布性和應用電路的可靠性，實(shí)際使用的E1應當選擇為計算值的2～3倍。本項目選擇的是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通時(shí)間充電ΔVBS，所以：

　　式中，TLON為下橋臂的最小導通時(shí)間。本項目中自舉電阻R62取22 Ω。

　　2.3 自舉二極管D9的選擇

　　因為自舉二極管起到隔離直流母線(xiàn)高壓和控制電源低壓的作用，必須阻斷直流干線(xiàn)上的高壓，才能保護IC器件不受損壞, 所以選擇D9時(shí)應當重點(diǎn)考慮二極管耐壓、反向截止時(shí)間和正向導通電壓降幾個(gè)參數。二極管承受的電流是柵極電荷與開(kāi)關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失，應選擇耐高壓的反向漏電流小的超快恢復二極管。本項目選用的自舉二極管型號為BYV36C。