變頻空調(diào)的逆變器核心功率級(jí)電路———智能功率模塊的成本雖然相對(duì)較高，但仍以其高可靠性和良好的一致性在大批量生產(chǎn)中獲到了極廣泛的應(yīng)用。

 1 智能功率模塊的一般特點(diǎn)智能功率模塊是電力電子集成電路的一種，集功率器件（IGBT）、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)功能于一體，內(nèi)部含有門(mén)極驅(qū)動(dòng)控制、故障檢測(cè)和多種保護(hù)電路，其核心器件是IGBT。智能功率模塊與以往IGBT模塊及驅(qū)動(dòng)電路的組件相比具有許多優(yōu)點(diǎn)：

 1）內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路，保證IGBT最佳驅(qū)動(dòng)條件；

 2）內(nèi)含過(guò)電流保護(hù)（OC）、短路保護(hù)（SC）；

 3）內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)（UV）；

4）內(nèi)含低損耗IGBT和續(xù)流二極管；

5）信號(hào)輸入端兼容3.3/5VCMOS/LSTTL電平；

 6）寬的輸入電壓范圍；

7）內(nèi)含過(guò)熱保護(hù)；

 8）內(nèi)含故障輸出（Fo），向外部輸出故障信號(hào)，當(dāng)下橋臂OC、UV保護(hù)動(dòng)作時(shí)，通過(guò)向控制智能功率模塊的微處理器輸出故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)。以上是智能功率模塊的一般特點(diǎn)，對(duì)于具體不同型號(hào)的智能功率模塊，其內(nèi)部所集成的功能可能有所差異，但一般都具有上述特點(diǎn)。

 2 FSBB20CH60的特點(diǎn)為了滿足人們對(duì)低噪聲、高性能、小型化、輕量化不斷增長(zhǎng)的要求及花最小的代價(jià)獲得最佳的性能和精確的控制。飛兆半導(dǎo)體公司推出了新一代的智能功率模塊 FSBB20CH60，它除了具有上述一般智能功率模塊的優(yōu)點(diǎn)外，還具有下列特點(diǎn)：

1）上橋臂驅(qū)動(dòng)器電源使用自舉（Bootstrap）電源技術(shù)，全部驅(qū)動(dòng)共用一個(gè)電源；

 2）內(nèi)含隔離高壓的快速電平移位電路（level shifter）；

 3）由于采用了DBC技術(shù)，因而熱阻極小；

 4）3 個(gè)獨(dú)立N 極接線端子結(jié)構(gòu)，用戶可方便、高效地檢測(cè)各相的負(fù)載電流，從而實(shí)現(xiàn)高效率、低成本電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法；

 5）輸入端信號(hào)高電平有效，更有利于與CPU的控制連接；

6）控制信號(hào)不需要光耦隔離；

 7）高壓側(cè)外接?xùn)艠O電阻能讓設(shè)計(jì)人員調(diào)節(jié)SPM的開(kāi)關(guān)速度，此舉有助于降低開(kāi)關(guān)損耗和開(kāi)關(guān)噪聲，并且減小電壓應(yīng)力(可能在極端條件下引起HVIC閉鎖)。 FSBB20CH60 的內(nèi)部電路如圖1 所示[1]，圖1 中上面的3 個(gè)高壓集成電路HVIC1-HVIC3 驅(qū)動(dòng)三相橋臂的上管，下面的LVIC驅(qū)動(dòng)三相橋臂的下管。其中，HVIC1～HVIC3 中集成了輸入PWM 信號(hào)整形電路、電平移位電路、欠壓保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。新一代智能功率模塊的最大特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了單電源驅(qū)動(dòng)，其核心技術(shù)就是驅(qū)動(dòng)電源采用自舉電源技術(shù)和電平移位電路。由于SPM內(nèi)部建立起了電平移位電路，從而省去了光耦，并且允許6 個(gè)輸入控制端直接連接CPU/DSP。其原理示意圖如圖3 所示，工作原理分析如下：當(dāng)輸入脈沖信號(hào)為"1"時(shí)，經(jīng)過(guò)脈沖鑒別器確認(rèn)，且此時(shí)無(wú)欠壓發(fā)生，閂鎖邏輯電路上端輸出為"1"，下端輸出為"0"，此時(shí)，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，IGBT1的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓為+15V，IGBT1導(dǎo)通，IGBT2關(guān)斷；反之，當(dāng)輸入脈沖信號(hào)為"0"時(shí)，IGBT1 關(guān)斷，IGBT2導(dǎo)通。自舉電源由圖3中的電阻R1、自舉二極管D1和自舉電容C1組成，當(dāng)下橋臂IGBT2導(dǎo)通時(shí)，自舉電容C1通過(guò)R1和D1充電，這里必須保證C1首次充電時(shí)，IGBT2導(dǎo)通一定的時(shí)間，使得C1充電充分，這樣C1兩端的電壓保持為+15V，足夠驅(qū)動(dòng)上橋臂的IGBT1，通過(guò)這種自舉電源技術(shù)，允許IGBT1的源端在P、N之間浮動(dòng)。智能功率模塊外圍電路的設(shè)計(jì)同以往非單電源智能功率模塊的外圍電路的設(shè)計(jì)有所不同，由于采用單電源模塊實(shí)現(xiàn)共地系統(tǒng)，MCU 發(fā)出的6 路PWM 脈沖信號(hào)都不需要經(jīng)過(guò)光耦隔離就可以直接連接到SPM相應(yīng)的引腳[2]。另外，智能功率模塊需要有自舉電源電路，其中自舉二極管需要選擇反向恢復(fù)時(shí)間短的快速二極管，自舉電容需要選擇容量在10μF 以上的電解電容，以保證自舉電源能有效可靠地工作。在變頻空調(diào)中由于強(qiáng)弱電的存在，考慮到安全性，現(xiàn)在仍普遍采用隔離方案?；诖?，本次設(shè)計(jì)采用光耦隔離方式，設(shè)計(jì)出了一種高性能功率模塊。這種模塊化的設(shè)計(jì)，有利于整個(gè)系統(tǒng)的匹配。

3 高性能功率模塊的設(shè)計(jì)在高性能功率模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程中有幾個(gè)需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題：首先在模塊設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮其安全性，即模塊單獨(dú)上電時(shí)，其自身的安全，由于模塊為輸入高電平有效，因此，常態(tài)下應(yīng)確保模塊輸入端為低電平; 其次要注意印制電路板的線間電氣間隙和整體布局，以確保電路板的安全和抗EMI的能力;最后還要考慮與整個(gè)系統(tǒng)之間的配合。

 3.1 故障輸出電路的設(shè)計(jì)功率級(jí)電路中，高性能功率模塊自身保護(hù)是很重要的，尤其是短路保護(hù)。因此用于短路電流檢測(cè)的功率電阻的選擇就至關(guān)重要，其大小選擇主要是依據(jù)模塊內(nèi)部保護(hù)電流值的大小進(jìn)行選擇。SPM短路觸發(fā)電平為0.5 V左右、這里設(shè)定瞬時(shí)電流保護(hù)值為34 A，經(jīng)計(jì)算選擇阻值為0.015Ω，功率為10 W的無(wú)感電阻。 為了使功能率模塊安全工作還需要設(shè)計(jì)輔助的保護(hù)電路，如過(guò)/欠壓保護(hù)電路、過(guò)流保護(hù)電路等。 SPM 模塊自身具有短路，過(guò)流、過(guò)熱、欠壓保護(hù)等功能，一旦SPM 受損自身實(shí)行保護(hù)，則通過(guò)其VFO口輸出保護(hù)信號(hào)，并由C8作保持保護(hù)信號(hào)的脈寬設(shè)定（參見(jiàn)圖4）。具體關(guān)系為tFOD=CFOD/(18.3×10-6 ) s，SPM輸出的保護(hù)信號(hào)經(jīng)IC7光耦隔離、再經(jīng)三級(jí)管Q1跟隨后輸出到室外板CPU 的模塊保護(hù)輸入口，最終實(shí)施SPM模塊保護(hù)，即起到了保護(hù)整個(gè)高性能模塊的作用。模塊過(guò)流保護(hù)外置限流電阻為R21。R22、C9構(gòu)成RC濾波取樣，故障相應(yīng)速度的快慢即由它們組成的RC 電路的時(shí)間常數(shù)決定。

 3.2 外部隔離驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，先就單個(gè)IGBT 驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)試，然后再對(duì)上下管進(jìn)行配對(duì)調(diào)試，最后進(jìn)行整體的調(diào)試。具體的SPM模塊采用的是飛兆單電源模塊FSBB20CH60，電路如圖4 所示。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)由室外板CPU 輸出，經(jīng)IC1~IC6 光耦隔離，由Q11~Q16 三極管反相后輸入到SPM模塊UP、VP、WP、Un、Vn、Wn控制端。R43~R48為光耦I(lǐng)C1~IC6輸入的限流電阻，每一路都使用了一個(gè)普通三極管和一個(gè)普通光耦相連接，代替一高速光耦；同時(shí)為達(dá)到提高響應(yīng)速度的目的，平常使三極管工作在臨界飽和狀態(tài)，以補(bǔ)償由于光耦開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間的離散性而導(dǎo)致的6 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的不平衡；減小光耦的輸入端電阻，以達(dá)到提高光耦的響應(yīng)速度；R33~R36 分別為光耦I(lǐng)C1~IC3 輸出的偏置電阻，R37~R42 分別為三極管反相器Q11~Q16 的偏置電阻，C21~C26為高頻噪聲吸收電容。SPM 內(nèi)部由6 只IGBT構(gòu)成的具有上下橋臂的三相橋式電路，根據(jù)CPU 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)按順序和時(shí)序輪流導(dǎo)通，實(shí)行對(duì)直流線線電壓Vpn 進(jìn)行斬波，調(diào)制成壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電源，再經(jīng)SPM 的U、V、W 三相輸出端輸出加到壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)端子上，使壓縮機(jī)按照設(shè)定要求，進(jìn)行變頻調(diào)速。在設(shè)計(jì)中要注意將單獨(dú)一路信號(hào)的驅(qū)動(dòng)延時(shí)限制在適當(dāng)?shù)姆秶?，以利于程序的控制。同時(shí)注意上下管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間要有合適的死區(qū)時(shí)間，防止在程序運(yùn)行過(guò)程中其上下管出現(xiàn)直通現(xiàn)象。 外接的IGBT 內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電阻的選擇，如圖4 中R97、R98、R99，適當(dāng)增大它們的阻值可以有效減少dv/dt，從而減小由此造成的EMI噪聲。但也應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)能力的要求，本設(shè)計(jì)電阻選用 5.6Ω。

 3.3 與壓縮機(jī)控制電路的接口設(shè)計(jì) SPM 模塊驅(qū)動(dòng)及壓縮機(jī)控制信號(hào)有六相，分別由CPU 的6 個(gè)腳單獨(dú)輸出，經(jīng)R43~R48 限流輸至SPM 模塊的外圍電路驅(qū)動(dòng)控制端。室外機(jī)CPU 根據(jù)系統(tǒng)需求輸出作用于SPM 模塊調(diào)制的SPWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以滿足給壓縮機(jī)提供的變頻電源，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。如果SPM 六相驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生某相丟失，會(huì)造成壓縮機(jī)啟動(dòng)困難或缺相運(yùn)行，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)因電流增大而產(chǎn)生過(guò)熱。這時(shí)，SPM 模塊自身具有的過(guò)流等保護(hù)功能立即動(dòng)作，并輸出負(fù)脈沖，然后經(jīng)由光耦的隔離作用和三極管的跟隨放大，并通過(guò)專(zhuān)用口反饋到CPU 的指定中斷腳。CPU 即發(fā)出指令對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)斷，而防止高性能功率模塊和壓縮機(jī)的損毀。其中，C10 為高頻噪聲吸收電容，R23 為光耦的輸入偏置電阻。注意故障信號(hào)和控制部分的信號(hào)之間的連接，以確保在連線不良和正常出現(xiàn)故障時(shí)都能及時(shí)報(bào)警，防止模塊的損壞。

3.4 電源組件為了保證高、低壓工作的正常隔離，高性能功率模塊的電源采用一般的反激式開(kāi)關(guān)電源，分別為SPM提供一路+15V和兩路+5V 的隔離直流輸出電壓，同時(shí)要注意電源的供電能力，保證電路在比較惡劣的環(huán)境中能夠正常的工作。電源組件的設(shè)計(jì)此處略，具體可參見(jiàn)其它有關(guān)資料[3~4]。

3.5 電源自舉電路的設(shè)計(jì) 高性能功率模塊屬于單電源模塊，即SPM 模塊所用工作電源共用一路+15V電源，并由外加的三路自舉電路來(lái)實(shí)現(xiàn)SPW 模塊內(nèi)IGBT 上橋臂的高壓絕緣與高速的電平轉(zhuǎn)換，三路自舉電路分別有D6、E9、C5、R18，D7、E10、C6、R19，D8、E11、C7、R20組成。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，已考慮到電解電容的選取與程序控制算法的配合。

 4 參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)結(jié)果

 根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)了最大輸出功率達(dá)2.4 kW 的高性能功率模塊。其中，輸入電壓范圍Vin=150~250 V（AC），輸出相電流12 A。 在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）將其應(yīng)用于直流變轉(zhuǎn)速空調(diào)(美芝壓縮機(jī)型號(hào)HD187X1-S12FD)，模塊工作正常，而將其應(yīng)用于交流變頻空調(diào)（美芝壓縮機(jī)型號(hào) BG130X1C-20FZ）則會(huì)出現(xiàn)開(kāi)機(jī)保護(hù)的現(xiàn)象；

 2）做高溫高濕（溫度55℃，濕度95%）滿負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)模塊溫升過(guò)高的現(xiàn)象。這說(shuō)明原理性計(jì)算與實(shí)際參數(shù)配置存在著差距，必須進(jìn)行某些參數(shù)調(diào)整，通過(guò)多次試驗(yàn)，調(diào)整方法總結(jié)如下：

 1）消除開(kāi)機(jī)時(shí)的瞬時(shí)電流保護(hù)一是在電流檢測(cè)電阻R21上并聯(lián)一個(gè)小電容；二是適當(dāng)延長(zhǎng)故障保護(hù)的響應(yīng)速度即加大(R22×C9)的時(shí)間常數(shù)。但以上措施的采取會(huì)增大模塊自身?yè)p壞的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)綜合考慮。

 2）減小模塊溫升過(guò)高適當(dāng)減小來(lái)自控制輸入端的消噪電容C91~C95；適當(dāng)減小輸入到模塊的高頻噪聲吸收電容C21~C26。但上述電容不宜過(guò)分減小，否則會(huì)導(dǎo)致模塊的抗干擾能力下降，要權(quán)衡利弊。 按上述方法重新調(diào)整個(gè)別元件參數(shù), 結(jié)果獲得了良好的效果，消除了開(kāi)機(jī)時(shí)的瞬時(shí)電流保護(hù)，降低了模塊的溫升。 參數(shù)調(diào)整前后輸入到SPW 的驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖5所示。由圖5(a)與圖5(b)可以看出，參數(shù)調(diào)整后的輸入電壓較調(diào)整前失真得到明顯改善，脈沖上升/ 下降沿更陡峭，這說(shuō)明參數(shù)調(diào)整比較理想。 試驗(yàn)還就由高性能模塊組成的整機(jī)的騷擾電壓、騷擾功率等進(jìn)行了測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合要求。

 5 結(jié)論

目前，該高性能功率模塊在應(yīng)用于交、直流變頻空調(diào)中,具有很好的適應(yīng)性，整機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，并已經(jīng)投入小批量生產(chǎn)，隨著它的優(yōu)越性進(jìn)一步被市場(chǎng)檢驗(yàn)，必將得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

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