变频空调智能功率模块自举电路设计过程中的研究-海信

文章编号：CAR216变频空调智能功率模块自举电路设计过程中的若干关键问题研究宋洪强范永盛陆汉宁（海信科龙空调有限公司）摘要介绍了家用变频空调中用于压缩机驱动的智能功率模块自举电路的基本拓扑结构和原理。在理论分析的基础上，对外部门极电阻、自举电阻、自举二极管和自举电容的选型方法进行了研究和探讨，并围绕电路的可靠性和适应性对各关键器件的参数进行了优化。为了避免自举电容初始充电时的电流冲击，文章给出了优化的初始充电方法。实验测试表明经过优化的自举电路具有较高的可靠性和较好的适应性。关键词自举电路自举电阻自举二极管自举电容外部门极电阻0引言当前，智能功率模块（IntelligentPowerModule：IPM）已经广泛应用于家用变频空调压缩机驱动电路中。IPM模块通过将功率器件、驱动电路和保护电路高度集成在一块很小封装基板上，在大大简化了压缩机驱动电路复杂性的同时有效提高了电路的可靠性。为了简化设计，驱动电路已普遍采用单控制电源方案。这样既要保证控制电源能够为P侧功率器件提供正确的门极偏置电压又要保证直流母线上的高压不致串到控制电源电路而烧坏元器件。能够实现这一目的的方法很多，本文将重点讨论自举电路法。1IPM模块自举电路基本拓扑结构和原理如图1所示，IPM模块自举电路仅由自举电阻BSR、自举二极管BSD和自举电容BSCE组成，因此简单可靠。电路基本工作过程为：当VS因为下桥臂功率器件导通被拉低到接近地电位GND时，控制电源VCC会通过BSR、BSD和ER给自举电容BSCE充电，充电回路如图1所示。当上桥臂导通时VS上升到直流母线电压，自举二极管BSD反向截止从而将直流母线电压与VCC隔离，以防止直流母线侧的高压串到控制电源低压侧而烧坏元器件。此时BSCE放电以给上桥臂功率器件的门极提供驱动电压。当VS再次被拉低时，BSCE将再次通过VCC充电以补充上桥臂导通期间BSCE上损失期间BSCE上损失的电压。由此可见为了保证BSCE的电VBVSHOLOCOMHINVCCVCCLINCOMVS+-VCCBSRBSDBSCEBSCLCERHVICLVICNP负载（U，V，W）智能功率模块充电回路GNDLIoad图1自举电路基本拓补结构压跌落能够得到完全补充，自举电路对下桥臂昀小导通时间有一定的要求。但是若能正确选择各元器件参数，自举电路对下桥臂昀小导通时间的限制将会大大降低。2自举电路各元器件参数选择2.1外部门极电阻ER的选择当前许多主流IPM模块生产厂家都选择将VS在模块外部同U、V、W接线端相连而不是在模块内部直接相连的方法，从而为电路设计提供了很大的灵活性。根据不同的应用需要可以在VS和U、V、W之间插入不同的隔离模块，昀简单的是如本文所讨论的仅插入隔离电阻ER。这样做可以带来两点好处：其一是通过调节ER来控制上桥臂功率器件开关过程中的/dvdt，从而提高IPM模块的可靠性和电磁兼容性能；其二是可以有效防止sV−浪涌导致的闩锁效应，从而提高IPM模块上桥臂的电压应力。ER的选择需要综合考虑开关速度、开关损耗和开关可靠性等方面。实验结果表明ER越大功率器件开关过程中的/dvdt越小，并且对闩锁效应的抑制能力越强。但是ER的增大会增大功率器件的开关损耗和降低开关速度，并且过大的ER会加大下桥臂功率器件开通过程中上桥臂功率器件误开通的风险。因此综合以上各限制因素，昀终选定ER的阻值为5.6欧姆。2.2自举电容BSCE的选择自举电容BSCE需要根据自举电容所能得到的昀低充电电压来选择。通过分析当IPM模块下桥臂流过负向负载电流时，自举电压为：BSCCFsatVVVV=−−（1）式中，VCC为控制电源电压，FV自举二极管正向压降，satV为下桥臂功率器件的饱和压降。此时自举电容所能得到的充电电压昀小，因此选择自举电容时应该保证此种情况下的自举电压满足上桥臂功率器件驱动要求。为了选择BSCE首先应当确定自举电路在上桥臂功率器件导通时所允许的昀大电压降BSVΔ。若设minBSV为所要求的昀低上桥臂驱动电压，则有下式成立：minminBSCCBSFsatBSBSUVVVVVVVVΔ≤−−−⎧⎨⎩（2）上式中BSUVV为上桥臂控制电压的欠压保护值。选定BSVΔ可以根据下式选定BSCE：TBSBSQCEV≥Δ（3）式中TQ为上桥臂昀长开通时BSCE消耗的电荷。TQ通过下式得到：___()TGLSLKGEQBSLKLKDIODELKCAPDSHONQQQIIIIIIT−=+++++++•（4）上式中：GQ：上桥臂功率器件导通所需的充电电荷；LSQ：驱动IC内部电平转换模块所需的充电电荷；_LKGEI：上桥臂功率器件门极和源极间的泄露电流；QBSI：驱动IC内部浮置模块静态电流；LKI：驱动IC内部浮置模块泄露电流；_LKDIODEI：自举二极管漏电流；_LKCAPI：自举电容漏电流；DSI−：退饱和二极管偏置电流；HONT：上桥臂功率器件昀长导通时间；上式中各项参数可以查阅IPM模块内部驱动IC的规格书得到。但是大部分情况下应用工程师无法得知内部驱动IC的确切型号。所以实际应用中我们可以应用以下简化公式来初步计算BSCE：LeakHONBSBSITCEV•=Δ（5）上式中LeakI可以选择为IPM模块规格书中所提供的上桥臂功率器件驱动所需的昀大额定电流值。这样只要选定BSVΔ即可快速计算出BSCE。但是考虑到各元器件参数的分布性和应用电路的可靠性，实际使用的BSCE应当选择为计算值的2至3倍。例如选定V1BSVΔ=；查阅IPM模块规格书得昀大额定驱动电流为0.55mA；若系统PWM载波频率为8KHz，昀大占空比为96%，则上桥臂昀大导通时间为125×0.96=120us。将以上参数代入（5）式可得：()()360.5510120101BSCE−−×××=CEBS0.66Fμ=（6）则实际应用中可选择：30.662.2BSCEFμ=×≈（7）2.3自举电阻BSR的选择自举电阻BSR的作用是限制/BSdVdt。但是因为BSR与BSCE串联，所以BSR和BSCE共同决定了自举电路的充电时间常数。为了保证自举电容能够在下桥臂昀小导通时间充电BSVΔ，所以：()CCBSLONBSBSBSVVTRCEV−•=•Δ（8）上式中，LONT为下桥臂昀小导通时间。但是，BSR的选择还取决于外部门极电阻ER。如图2所示，在初始充电阶段充电电流CHI较大，如果ER上的电压降ERCHI•超过了上桥臂功率器件的门限电压将会导致上桥臂功率器件误开通。从而导致上下桥臂短路。因此为了避免ER上的电压降超过上桥臂功率器件门限电压，建议选择BSR的阻值为ER的三倍以上。即：E3RBSR≥（9）总之，BSR要在综合考虑（6），（7）两式的基础上精心选择。例如，若V1BSVΔ=，5LONTsμ=，2.2BSCEFμ=，代入（6）式可得：()()6615102.2712.210BSR−−××=≈Ω××（10）但是由5.6ER=Ω和（7）式可得：35.616.8BSR≥×=Ω（11）比较以上两个计算结果，为了可靠防止上下桥臂短路BSR应当选择较大的数值。+-VCCBSRBSDBSCEBSCERNPLVICHVICNOOFFchargeI+_ChgV图2始充电阶段ER上的电压2.4自举二极管BSD的选择因为自举二极管起到隔离直流母线高压和控制电源低压的作用，所以选择BSD时应当重点考虑以下几个参数：二极管耐压、反向截止时间和正向导通电压降。目前家用空调压缩机驱动所用的IPM模块直流母线电源电压昀大额定值一般为450V，若允许50V的浪涌电压则加到自举二极管上的反向截止电压实际为500V。如果再考虑留有100V裕量则二极管的耐压值应当在600V以上。实际应用中一般选择具有600V耐压的自举二极管。为了尽量减少自举电容BSCE向电源VCC的反向充电，BSD应当选择具有快速恢复能力的二极管，实际应用中应选择反向截止时间小于100ns的快速恢复二极管。此外为了尽量减小BSCE偏小时压缩机起动阶段上桥臂控制电源欠压故障的风险，应选择正向导通压降尽量小的二极管。例如选择正向导通压降小于2V的二极管。3初始充电过程及BSCE参数优化3.1初始充电过程优化之所以重点关注自举电容的初始充电过程，是因为较大的初始充电电流有可能给系统可靠性带来不利影响。初始充电阶段系统负载电流0LoadI=，此时可以忽略下桥臂功率器件的饱和导通压降，则初始充电电流可以通过下式计算得到：argCCFCheBSEVVIRR−=+（12）若15CCVV=，1.5FVV=，20BSR=Ω，5.6ER=Ω，则由（12）式计算可得：arg151.5508205.6CheImA−=≈+（13）以上仅是一相自举电路的充电电流，若三相同时充电充电电流将大大增加。由此可见应当尽量避免下桥臂长时间开通的自举电容初始充电方法。这是因为较大的电流冲击一方面对控制电源器件造成冲击，另一方面增大了初始充电阶段上下桥臂短路的风险。实际应用中可采用脉冲串的方法，分多次给自举电容充电，直到自举电容充满。这样可有效减小初始充电过程中的充电电流。此外为了进一步减小初始充电电流可以采用U、V、W三相错位充电的方法，即在分多次给自举电容冲电的基础上每一次只给某一相的自举电容充电并依次循环直到三相都充满。这样每次充电时的充电电流是三相同时充电的1／3，因而使初始充电电流大大减小。应当注意的是应用以上两种方法时应当保证足够的充电脉冲个数以保证自举电容能够充满。3.2自举电容BSCE参数优化通过上文的分析可以看到自举电容容量通常在微法级，因此大多数应用中选择电解电容。这时就要考虑电容等效串联电阻对电路的影响。若等效串联电阻较大，用下桥臂长时间导通的方法给自举电容初始充电时等效串联电阻ESRR就会和BSR及ER分压，从而造成VBS的上升平台和不期望的V/BSddt。一般应当根据下式选择电解电容：3ESRCCESRBSBSRVVRRR•≤++（14）因为不同的软件算法导致相同的硬件电路工作在不同的状态下。因此上文计算得到的BSCE还应当针对不同的应用环境进行检验和调整。若2.2BSCEFμ=，20BSR=Ω，5.6ER=Ω，则压缩机起动阶段U、V、W三相自举电容上的电压波形如图3所示。图中从上到下依次为W相、U相、V相自举电容电压波形和U相相电流波形。从波形可以看到起动阶段自举电压存在大范围波动。并且通过测量光标Y1可以看到，V相自举电压在起动阶段已经跌落到13V，这显然是不能满足系统可靠性要求的。之所以会出现以上情况是因为硬件上选择了较大的BSR从而大大增加了充电时间常数；软件方面因为采用SVPWM电压调制方法从而使得在转子的某些角度范围内持续输出较高的占空比而在此角度范围外持续输出较低的占空比。而在高占空比时自举电容主要是充电的，在低占空比时自举电容主要是放电的。起动阶段由于转速较慢，从而使的自举电容的主要放电过程和主要充电过程都持续较长的时间。此时如果BSCE选择不当就会造成如图3所示的起动阶段自举电压的大范围波动。如果适当提高BSCE的容量则会有效避免起动阶段自举电压的大范围波动。图4是22BSCEFμ=时起动阶段自举电压波形图。由图可见电压波动大大减小。图32.2BSCEFμ=时自举电压波形图422BSCEFμ=时自举电压波形4结束语本文在理论分析的基础上详细讨论了自举电路各元器件的选型方法、如何避免初始充电阶段的电流冲击以及如何优化自举电容参数等关键技术问题。总之，硬件参数与系统采用的控制算法紧密相关，应用工程师应当在理论计算的基础上根据实际系统仔细确认参数的适应性以昀大程度的保证电路的可靠性。参考文献[1]Fairchild.SmartPowerModuleMotion-SPMinMini-DIPUser’sGuide[Z].FairchildInc.,2005.07.19[2]杨贵杰．空间矢量脉宽调制方法的研究［J］．中国电机工程学报，2001，21（5）：79－83