摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于IR2136的智能功率模塊電路,，介紹了驅(qū)動(dòng)芯片IR2136的性能特點(diǎn),，給出了主電路的設(shè)計(jì)，并用PSpice軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,，結(jié)果證明了電路設(shè)計(jì)的可行性,。
關(guān)鍵詞： 智能功能模塊；IR2136,；自舉,；PSpice
當(dāng)前，功率電路的模塊化和系統(tǒng)集成技術(shù)已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域最重要的研究方向之一[1],。智能功率模塊IPM(Intelligent Power Module)即是系統(tǒng)集成模塊思想的體現(xiàn)之一[2],。IPM模塊是指專用于驅(qū)動(dòng)和控制各種工業(yè)與民用、單相與三相電機(jī)的新型智能功率模塊,，又稱為電機(jī)“逆變電源”,。IPM將輸出功率元件和驅(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi),，提高了系統(tǒng)整體性能及可靠性,、降低了通態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗,、縮小了體積并減少了系統(tǒng)成本。與傳統(tǒng)的分立元件相比,，IPM模塊具有結(jié)構(gòu)緊湊,、體積小、功能完整和易于大批量生產(chǎn)的特點(diǎn),。由于馬達(dá)是現(xiàn)代各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)力源,，可以應(yīng)用于變頻空調(diào)、變頻洗衣機(jī),、變頻冰箱等家用電器和變頻器,、工業(yè)電機(jī)等的變頻調(diào)速中。因此,，IPM模塊的市場(chǎng)非常廣泛,。
本文在此背景下設(shè)計(jì)了一種基于IR2136[3]的IPM電路，并用PSpice軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,。
1 IPM電路的組成及主電路設(shè)計(jì)
IPM電路組成如圖1所示,，主要由功率電路(整流電路和逆變電路)和驅(qū)動(dòng)電路組成。
1.1 IPM驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路主要由IR公司的三相逆變器驅(qū)動(dòng)器集成芯片IR2136組成,。IR2136集成了6個(gè)MOSFET或IGBT高電壓柵極驅(qū)動(dòng)器,，并融合了多元化的保護(hù)功能，使系統(tǒng)成本比采用光耦解決方案降低了30%,，是專為2 kW或以下的(110 V~360 V)輸入逆變器設(shè)計(jì)的,，適用于交流感應(yīng)、無(wú)刷直流或開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng),。
圖1中的D7,、D8、D9和C1,、C2,、C3是自舉元件[3-5]，其所組成的自舉電路用來(lái)可靠地驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)IGBT柵極器件,。如圖1所示,，Vbs(IR2136 Vb和Vs管腳之間的電壓差)給集成電路高端驅(qū)動(dòng)電路提供電源。該電源電壓必須在10～20 V之間,，以確保驅(qū)動(dòng)集成電路能夠完全地驅(qū)動(dòng)IGBT柵極器件,。IR2136驅(qū)動(dòng)集成電路具有Vbs欠壓保護(hù)，當(dāng)Vbs電壓下降到一定值(典型值是8.2 V)時(shí),，將關(guān)閉高端驅(qū)動(dòng)輸出,，這保證了IGBT不會(huì)在高功耗下工作。Vbs電源是懸浮電源，附加在Vs電壓上(Vs通常是一個(gè)高頻的方波),。這種自舉技術(shù)的好處是簡(jiǎn)單,、低廉。電路的工作原理如下：當(dāng)Vs被拉到地時(shí)(通過(guò)下端器件或負(fù)載),，15 V的Vcc電源通過(guò)自舉二極管(D)給自舉電容(C)充電,，也即給Vbs提供一個(gè)電源。
(1)自舉電容參數(shù)的確定
自舉電容應(yīng)該提供的最小電荷如下：
1.2 IPM的功率主電路設(shè)計(jì)
IPM功率電路[8]由二極管整流電路和IGBT三相逆變電路組成,。整流二極管電壓額定值URRM,、電流額定值IVDM及IGBT額定電壓UCEP、額定電流IC分別計(jì)算如下：
式中,，UAC為220 V輸入交流電壓,，KV為電壓波動(dòng)系數(shù)，αV為安全系數(shù),，?駐UCE為線路雜散電感引起的尖峰電壓,，αP為過(guò)電壓保護(hù)系數(shù)，αU為過(guò)電壓安全系數(shù),，IO為逆變器輸出電流,，P為逆變器最大輸出功率。
按照上述設(shè)計(jì)原理,，設(shè)計(jì)了1 500 W的IPM電路,。交流輸入電壓為220 V，整流電路為單相橋式,。電路的主要元器件參數(shù)如下：自舉電容為1 μF/25 V鉭電容,，自舉二極管為快恢復(fù)MUR160，逆變橋IGBT開(kāi)關(guān)管為IRG4IBC30KD,，整流二極管為800 V/5 A的整流二極管,。
2 仿真實(shí)驗(yàn)
應(yīng)用PSpice軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真：瞬態(tài)分析,、步長(zhǎng)5 μs,、終止時(shí)間為80 μs、觸發(fā)脈沖寬度20 μs,、脈沖周期40 μs,。圖2是其仿真結(jié)果波形。
通過(guò)對(duì)仿真模型中IR2136觸發(fā)脈沖進(jìn)行參數(shù)調(diào)整,，得到的仿真結(jié)果如圖2(a),、(b)、(c)所示,。當(dāng)輸入觸發(fā)脈沖幅值為3 V和5 V,、輸入脈沖為低電平時(shí)，輸出端才有驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，且輸出的上開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形幅值約為14.7 V,。如果觸發(fā)脈沖太低,，因輸出驅(qū)動(dòng)波形性為高電壓(約14.7 V)，對(duì)開(kāi)關(guān)管起不到控制作用,。
圖2(d)是單脈沖調(diào)制時(shí),，逆變橋電路的一個(gè)橋臂上下開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形及橋臂輸出波形。從圖中可以看出,，上下橋臂的驅(qū)動(dòng)是交互進(jìn)行的,，單脈沖調(diào)制時(shí)，一個(gè)橋臂的輸出電壓幅值就是整流器的輸出直流電壓(對(duì)本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),，是單相全橋整流電路,，直流電壓值為310 V左右)，而柵極驅(qū)動(dòng)電壓是最高電壓,，要比橋臂輸出電壓高15 V左右,。
當(dāng)改變直流電壓源模型參數(shù)值時(shí)，仿真結(jié)果如圖2(e),、(f)所示,。由圖可知，當(dāng)欠壓鎖定的門限值為9.3 V,，將圖2(f)與圖2(a)比較,，可以看出，雖然9.3 V的直流電源能讓驅(qū)動(dòng)芯片工作,，但輸出驅(qū)動(dòng)波形幅值已降至10 V以下,，已不能可靠地驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)管。
圖2(g)為使能端工作及過(guò)流時(shí)的輸出驅(qū)動(dòng)波形仿真結(jié)果,。當(dāng)過(guò)流時(shí),，即過(guò)流檢測(cè)端ITRIP的電壓高于0.5 V時(shí)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部傳輸電路的延時(shí),，可靠地關(guān)斷輸出波形,，保護(hù)IGBT免遭損壞，經(jīng)過(guò)外部RC網(wǎng)絡(luò)10 μs的傳輸延遲(本電路設(shè)計(jì)的延時(shí)為10 μs,，應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)改變R10,、C5的值來(lái)改變延時(shí)時(shí)間)，過(guò)流故障自動(dòng)清除,。同時(shí)從圖2(g)中可以看出,，使能端低電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)波形被封鎖,。
而當(dāng)觸發(fā)脈沖序列發(fā)生錯(cuò)誤導(dǎo)致橋臂直通時(shí),，IR2136芯片內(nèi)部防直通電路起作用，使上下開(kāi)關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平。圖2(h)為直通時(shí)的輸出驅(qū)動(dòng)波形,，由圖可知,，在30～40 μs和70～80 μs時(shí)間段，同一橋臂的上下觸發(fā)脈沖同時(shí)低電平有效,，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平,，防止了直通的發(fā)生。
本文將系統(tǒng)集成思想應(yīng)用于IGBT逆變電路,，設(shè)計(jì)了一種基于IR2136為驅(qū)動(dòng)電路的IPM電路,。該電路集成了輸入欠壓、防直通,、過(guò)流等保護(hù)功能,。另外，應(yīng)用自舉技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了全橋驅(qū)動(dòng)電路的單電源供電,，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還體現(xiàn)了系統(tǒng)集成思想,。同時(shí)用PSpice軟件對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真,，其結(jié)果與理論吻合，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性,。
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