1 IPM模塊自舉電路基
本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(chǔ)能的電壓自舉電路通常是利用電容對電荷的存儲(chǔ)作用來實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移,，從而實(shí)現(xiàn)電壓的提升,。電壓自舉電路利用電荷轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行工作，通過存儲(chǔ)電容,，把電荷從輸入轉(zhuǎn)移到輸出,，提供負(fù)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,?！ ?/p>
假設(shè)所有開關(guān)均為理想開關(guān)，電容為理想電容,。當(dāng)開關(guān)S1和S3閉合時(shí),，電源VCC給電容C充電使其電壓達(dá)到VCC。然后開關(guān)S1和S3斷開,，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(chǔ)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,。
在沒有直流負(fù)載的情況下,，通過圖1所示的電路，在理想情況下,，輸出可達(dá)到輸入電壓的兩倍,。
2 自舉電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題研究
本項(xiàng)目的IPM型號(hào)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,，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,，因此簡單可靠,。其電路基本工作過程為：當(dāng)VS因?yàn)橄聵虮酃β势骷?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/導(dǎo)通" title="導(dǎo)通" target="_blank">導(dǎo)通被拉低到接近地電位GND時(shí)，控制電源VCC會(huì)通過R62和D9給自舉電容E1充電,。當(dāng)上橋臂導(dǎo)通,，VS上升到直流母線電壓后，自舉二極管D9反向截止,，從而將直流母線電壓與VCC隔離,，以防止直流母線側(cè)的高壓串到控制電源低壓側(cè)而燒壞元器件。此時(shí)E1放電,，給上橋臂功率器件的門極提供驅(qū)動(dòng)電壓,。當(dāng)VS再次被拉低時(shí)，E1將再次通過VCC充電以補(bǔ)充上橋臂導(dǎo)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?cái)[動(dòng)來實(shí)現(xiàn)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(yùn)行過程中反復(fù)地對自舉電容進(jìn)行充放電，因此必須選擇適當(dāng)?shù)膮?shù),，保證自舉電容上的電壓在電機(jī)運(yùn)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(bǔ)充,，自舉電路對下橋臂最小導(dǎo)通時(shí)間有一定的要求,。但是若能正確選擇各元器件參數(shù)，自舉電路對下橋臂最小導(dǎo)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(jù)自舉電容所能得到的最低充電電壓來選擇,。實(shí)際應(yīng)用中可以應(yīng)用以下簡化公式來初步計(jì)算E1：
式中，ΔVBS為自舉電路在上橋臂功率器件導(dǎo)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(qū)動(dòng)電壓，VBSUV為上橋臂控制電壓的欠壓保護(hù)值,，Vsat為下橋臂功率器件的飽和壓降,，THON為上橋臂的最大導(dǎo)通時(shí)間，ILeak為IPM模塊規(guī)格書中所提供的上橋臂功率器件驅(qū)動(dòng)所需的最大額定電流值,。這樣只要選定ΔVBS即可快速計(jì)算出E1,。但是考慮到各元器件參數(shù)的分布性和應(yīng)用電路的可靠性，實(shí)際使用的E1應(yīng)當(dāng)選擇為計(jì)算值的2～3倍,。本項(xiàng)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(dǎo)通時(shí)間充電ΔVBS,，所以：
式中,，TLON為下橋臂的最小導(dǎo)通時(shí)間。本項(xiàng)目中自舉電阻R62取22 Ω,。
2.3 自舉二極管D9的選擇
因?yàn)樽耘e二極管起到隔離直流母線高壓和控制電源低壓的作用,，必須阻斷直流干線上的高壓，才能保護(hù)IC器件不受損壞, 所以選擇D9時(shí)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮二極管耐壓,、反向截止時(shí)間和正向?qū)妷航祹讉€(gè)參數(shù),。二極管承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積。為了減少電荷損失,，應(yīng)選擇耐高壓的反向漏電流小的超快恢復(fù)二極管,。本項(xiàng)目選用的自舉二極管型號(hào)為BYV36C。
3 自舉電容初始充電過程及控制方法
3.1 初始充電分析及實(shí)現(xiàn)程序
在自舉電容的初始充電過程中,，較大的初始充電電流有可能給系統(tǒng)可靠性帶來不利影響,。這是因?yàn)檩^大的電流沖擊一方面對控制電源器件造成沖擊，另一方面增大了初始充電階段上下橋臂直通的風(fēng)險(xiǎn),。由此可見應(yīng)當(dāng)盡量避免下橋臂長時(shí)間開通的自舉電容初始充電方法,。
實(shí)際應(yīng)用中可采用脈沖串的方法，分多次給自舉電容充電,，直到自舉電容充滿,。這樣可有效減小初始充電過程中的充電電流,。
本項(xiàng)目采用瑞薩SH7125作為控制芯片，軟件上采用了一種簡單實(shí)用的方法實(shí)現(xiàn)了自舉電容的初始充電,。具體的做法是：在每次更新PWM占空比時(shí),，先判斷占空比的值，若小于0.056,，則認(rèn)為電機(jī)的給定速度為零,，并以此作為進(jìn)入充電程序的判斷條件。如下面的程序所示：
if(revison_value < 0.056)
{
MTU2.TOER.BYTE = 0x38; /*禁止上橋臂輸出*/
hall.HallPointer = (hall.HallPointer + 1)%6;
MTU23.TGRD = 1900;/*設(shè)定占空比*/
MTU24.TGRC = 1900;/*設(shè)定占空比*/
MTU24.TGRD = 1900;/*設(shè)定占空比*/
pwm_calc();/*占空比更新函數(shù)*/
}
由上述程序可知,，通過程序預(yù)定的方式給定直流無刷電機(jī)的換相順序,，使得 U、V,、W 三相進(jìn)行錯(cuò)位充電,，即每一次只給某一相的自舉電容充電并依次循環(huán)直到三相都充滿。
該控制程序的優(yōu)點(diǎn)在于上臂被禁止輸出,，所以不存在上下臂直通的危險(xiǎn),，且只要占空比小于0.056時(shí)就對自舉電容充電，能保證自舉電容能充滿,。通過將初始充電控制語句放在PWM更新函數(shù)里,，保證了初始充電的實(shí)時(shí)性，很好地解決了實(shí)現(xiàn)自舉的關(guān)鍵問題,。
3.2 自舉電壓波形及分析
圖3是實(shí)測的自舉電壓波形,。由圖3分析可知，初始充電近似階躍函數(shù),。在0.1 s時(shí),，就能充電到14 V,，即上述初始充電程序能快速完成初始充電;在0.2 s時(shí),，電機(jī)開始運(yùn)行，自舉電容放電,。由圖3還可知,，在運(yùn)行階段，自舉電容電壓基本穩(wěn)定在14 V,，幾乎在電機(jī)停止的瞬間,，自舉電容電壓迅速充電到15 V，然后開始慢慢放電,?！ ?/p>
由上述分析可知，本項(xiàng)目采用的自舉電容初始充電的方法簡單實(shí)用,，在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中取得良好的效果,。
本文分析了自舉電路的基本原理,，保證了充電的實(shí)時(shí)性，在應(yīng)用中取得了良好的IPM驅(qū)動(dòng)效果,，為自舉電容的初始充電提供了一個(gè)簡單實(shí)用可靠的方案,。總之,，要在理論指導(dǎo)的基礎(chǔ)上,，使得控制算法和硬件參數(shù)緊密相關(guān)，并在實(shí)際系統(tǒng)反復(fù)調(diào)試并最終確定參數(shù),，以便最大程度地保證電路的可靠性,。