IPM死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)沖突的一種解決技術(shù)

嚴(yán)海龍

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

IPM死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)沖突的一種解決技術(shù)

嚴(yán)海龍

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

簡(jiǎn)單分析了交流變頻調(diào)速中IPM死區(qū)保護(hù)和DSP功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)的原理與作用，詳細(xì)闡明了兩者之間在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)所產(chǎn)生的沖突問(wèn)題。并且針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種解決技術(shù)，該技術(shù)采用與非門組合電路，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)了保護(hù)信號(hào)的沖突問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的電路可同時(shí)滿足IPM正常工作、死區(qū)保護(hù)、DSP功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)的需要。仿真結(jié)果，最終驗(yàn)證了該方案的可行性。

死區(qū)保護(hù)；功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)；沖突問(wèn)題；與非門組合

在交流變頻調(diào)速里的逆變環(huán)節(jié)中，為保證電路正常工作，逆變橋同一橋臂的上、下開(kāi)關(guān)管不應(yīng)同時(shí)處于通態(tài)，否則將出現(xiàn)直流側(cè)短路事故。為此，實(shí)際應(yīng)用中，常采用“先斷后通”的方法，使得在交替通斷期間，同一橋臂上、下開(kāi)關(guān)管均無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，此種保護(hù)稱為死區(qū)保護(hù)［1-3］。

如果調(diào)速系統(tǒng)采用DSP作為核心處理器，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)線路或電源逆變器發(fā)生故障時(shí)，比如過(guò)壓、過(guò)流、短路等，DSP將會(huì)啟動(dòng)內(nèi)部的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)，自動(dòng)封鎖其所有的PWM輸出信號(hào)［4］，以實(shí)現(xiàn)對(duì)IPM的持續(xù)性保護(hù)。

DSP的PWM輸出信號(hào)可以直接輸送給IPM的驅(qū)動(dòng)線路，也可以經(jīng)上拉電阻后再輸送給IPM的驅(qū)動(dòng)線路，前者屬于拉電流方式，后者屬于灌電流方式。然而，無(wú)論采用上述哪種方式，死區(qū)保護(hù)和功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)都會(huì)出現(xiàn)沖突問(wèn)題，即無(wú)論采用拉電流方式，還是灌電流方式，都無(wú)法同時(shí)滿足死區(qū)保護(hù)和功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)。

為此，本文提出了一種解決方案，采用與非門組合電路，從硬件上著手，成功解決了兩種保護(hù)間的沖突問(wèn)題。文章的最后，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了該方案的可行性。

1 交直交變頻調(diào)速主電路

典型的電壓型交直交變頻調(diào)速主電路如圖1所示，即由整流電路、直流濾波電路、逆變電路，以及限流單元、制動(dòng)單元、吸收電容等組成。逆變環(huán)節(jié)可由六組獨(dú)立的 IGBT管構(gòu)成，也可由智能功率集成模塊IPM實(shí)現(xiàn)，本文采用的是三菱L系列智能功率模塊PM25RLA120。PM25RLA120的控制信號(hào)輸入端UP、VP、WP、UN、VN、WN，以及故障信號(hào)輸出端UFO、VFO、WFO、FO均是低電平有效，其端子的具體定義見(jiàn)表1。

圖1 交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

表1 PM25RLA120輸入/輸出端子列表

2 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的獲得方式

逆變環(huán)節(jié)的 PWM控制信號(hào)可以由 DSP的PWM輸出信號(hào)直接輸送給IPM驅(qū)動(dòng)電路輸入端所得，如圖2（a）所示，此時(shí)DSP的PWM輸出引腳處于拉電流狀態(tài)。而圖2（b）所示的則是PWM控制信號(hào)的另一種獲得方法，此時(shí)DSP的PWM輸出引腳處于灌電流狀態(tài)。由于拉電流狀態(tài)時(shí)，DSP引腳的電流處于輸出狀態(tài)，幅值有限，帶負(fù)載能力較弱，因此，PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的獲得一般采用灌電流方式比較理想。

圖2 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的獲得方式

3 死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)沖突

圖1中，為了防止同一組橋臂的上、下開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，造成嚴(yán)重的短路事故，同一相的上、下橋臂的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須有一段死區(qū)時(shí)間保護(hù)，即上橋臂關(guān)斷后，下橋臂不立刻開(kāi)通，而是等一段死區(qū)時(shí)間后才再開(kāi)通，即須有死區(qū)保護(hù)。

IPM內(nèi)部一般都包含了過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)等功能，但是IPM的這些內(nèi)部保護(hù)都是非保持性的，即都受一段保護(hù)時(shí)間ton的限制，ton時(shí)間之后，IPM將自動(dòng)退出內(nèi)部保護(hù)，而如果故障仍未消除，IPM將識(shí)別故障重新進(jìn)入內(nèi)部保護(hù)，如此惡性循環(huán)。因此，為保證IPM的可持續(xù)保護(hù)，一般需要再額外設(shè)計(jì)外部的保護(hù)電路。

外部的保護(hù)電路可利用處理器（比如DSP）的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)功能加以實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。其基本原理為：系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，IPM的故障信號(hào)輸出端都保持高電平，使得DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳也保持著高電平；當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的故障信號(hào)輸出端UFO/VFO/WFO/FO變成低電平，這樣DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳得到一個(gè)下降沿信號(hào)，使得DSP自動(dòng)進(jìn)入功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)狀態(tài)，封鎖所有PWM信號(hào)的輸出，直到人為重啟系統(tǒng)。

圖3 功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路原理圖

由圖2（b）可知，灌電流方式下，DSP的PWM輸出信號(hào)與PM25RLA120的PWM輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)同相，即當(dāng)DSP的PWM輸出信號(hào)為低電平時(shí)，IPM所得到的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)也為低電平，使得逆變器的相應(yīng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通（PM25RLA120的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端UP、VP、WP、UN、VN、WN都是低電平有效）。但是，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，逆變器上、下橋臂開(kāi)關(guān)管對(duì)應(yīng)的DSP的PWM輸出信號(hào)都是低電平，這樣IPM對(duì)應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)也都是低電平，因此反而使得上、下橋臂開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而造成短路事故，即發(fā)揮不了死區(qū)保護(hù)的作用。而若DSP的PWM引腳采用拉電流方式，則DSP的PWM輸出信號(hào)經(jīng)圖2（a）電路后與PM25RLA120的PWM輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相，如此，死區(qū)時(shí)間內(nèi)，上、下橋臂對(duì)應(yīng)的IPM輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)都變?yōu)楦唠娖剑沟蒙稀⑾聵虮坶_(kāi)關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)死區(qū)保護(hù)。

然而，當(dāng)DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳得到一個(gè)下降沿信號(hào)時(shí)，DSP將自動(dòng)封鎖所有PWM輸出，使得DSP的所有PWM輸出都保持高電平，此時(shí)，若繼續(xù)采用拉電流方式（反相方式），則上、下橋臂開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的IPM輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)都同時(shí)變?yōu)榈碗娖剑沟蒙稀⑾聵虮坶_(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，造成直流側(cè)短路事故，反而起了反作用。因此，若采用拉電流方式，可以滿足死區(qū)保護(hù)，卻滿足不了功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)；而若采用灌電流方式，則反之。即無(wú)論是采用灌電流方式，還是拉電流方式，死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)都有沖突。圖4所示是灌電流方式下，兩者沖突波形的描述（拉電流方式下的沖突情況類似，為不贅述，本文未給出對(duì)應(yīng)波形）。

圖4 死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)沖突

4 解決方案

為了解決上述問(wèn)題，必須找出一個(gè)方案，使得系統(tǒng)處于死區(qū)保護(hù)以及功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)時(shí)，上、下橋臂開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)的IPM輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)都保持高電平。本文采用硬件解決方案，在DSP的PWM輸出信號(hào)后設(shè)計(jì)一電路，使得經(jīng)此電路后的輸出信號(hào)可同時(shí)滿足死區(qū)保護(hù)和功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)。并且為了不受DSP帶負(fù)載能力的限制，PWM信號(hào)的獲得采用灌電流方式（同相方式），則此電路應(yīng)滿足表 2所示的邏輯狀態(tài)表。

表2 死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)協(xié)調(diào)電路邏輯狀態(tài)表

令DSPPWM1=A，DSPPWM2=B，則有

由上述兩式得出，可以在DSP的PWM輸出后接入與非門組合電路，如圖5所示。

圖5 死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)協(xié)調(diào)電路圖

圖6所示是接入?yún)f(xié)調(diào)電路后，死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)期間上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。可見(jiàn)，兩者保護(hù)期間，IPM的上下橋臂都同時(shí)關(guān)斷了，解決了兩者保護(hù)沖突的問(wèn)題。

圖6 兩者保護(hù)協(xié)調(diào)后的上、下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

5 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了交流變頻調(diào)速中死區(qū)保護(hù)與功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)的沖突問(wèn)題，并針對(duì)該問(wèn)題提出了一種硬件解決技術(shù)。該方案簡(jiǎn)單實(shí)用，采用與非門組合電路，可同時(shí)滿足IPM正常工作、死區(qū)保護(hù)、DSP功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)的需要。

［1］Wu Fengjiang，Duan Jiandong，F(xiàn)eng Fan.Modified single-carrier multilevel sinusoidal pulse width modulation for asymmetrical insulated gate bipolar transistor-clamped grid-connected inverter［J］.IET Power Electronics，2015，8（8）：1531-1541.

［2］Sidney RB，Clark PR.Regular-sampled harmonicelimination PWM control of inverter drives［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1995，10（5）：521-531.

［3］陳堅(jiān).電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)［M］.2版.北京：高等教育出版社，2004.

［4］冬雷.DSP原理及電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用［M］.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［5］嚴(yán)海龍，王榕生.新型線性組合采樣法 SPWM諧波數(shù)值分析［J］.電氣技術(shù)，2012，13（9）：61-64.

Technology to Solve The conflict of IPM Dead Zone Protection and Power Drive Protection

Yan Hailong
（College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116）

This article briefly analyzed the principle of IPM dead zone protection and DSP power drive protection for AC frequency control system.Then this article illustrated the conflict between the two protection during implementation.To solve this problem，a solution technique was proposed in this article.The technology uses a combination of NAND gate circuit.It can simply solve the conflict of protection waveforms during the two protection.The design of this circuit can also meet the needs of IPM working，dead zone protection，DSP power drive protection.The experimental results validated the feasibility of the solution.

dead zone protection； power drive protection； conflict； combination of NAND gate circuit

嚴(yán)海龍（1987-），男，江西省贛州市人，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要從事電力拖動(dòng)技術(shù)、智能電網(wǎng)的研究工作。

歐盟FP7 國(guó)際科技基金資助項(xiàng)目（909880）

福建省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2012J06012）