一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊的設(shè)計

張 碩

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

智能功率模塊是一種先進的功率開關(guān)器件，具有高電流密度、耐高壓、高輸入阻抗、高開關(guān)頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點[1]，而且它的內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路，使用方便，不僅減小了系統(tǒng)的體積，縮短了開發(fā)時間，還大大增強了系統(tǒng)可靠性，適應(yīng)了當今功率器件的發(fā)展方向，因而在白色家電、變頻器、工業(yè)控制、伺服驅(qū)動等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用[2-4]。

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對智能功率模塊的模塊化、復(fù)合化和集成化需求日益提升，而傳統(tǒng)智能功率模塊設(shè)計愈發(fā)難以滿足這些要求[5]。例如，當前智能功率模塊應(yīng)用較多的電路配置類型為C型（內(nèi)部封裝6個開關(guān)管），該電路配置的智能功率模塊主要應(yīng)用方式為作為H橋或三相橋，通常采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的方式進行控制[6]。對于傳統(tǒng)的智能功率模塊的控制，在H橋模式下，需要輸入4路PWM信號；在三相橋模式下，需要輸入6路信號。同時，如圖1所示，為了保證強弱電分離、降低干擾，各路PWM信號需要通過光電隔離芯片或光纖等器件來實現(xiàn)微處理器與智能功率模塊的連接。

圖1 智能功率模塊應(yīng)用示意圖

但是，在實際應(yīng)用中，根據(jù)應(yīng)用需求和選用的調(diào)制策略，所需要輸入的有效PWM信號數(shù)量是可以減少的。通過分析常見的H橋雙極性PWM調(diào)制策略、H橋單極性PWM調(diào)制策略和三相橋SVPWM/SPWM策略，可以發(fā)現(xiàn)每個橋臂上下兩個開關(guān)管是互補的，同時在H橋雙極性PWM調(diào)制策略中，正負占空比是互補的，因此，對于采用雙極性PWM控制策略的H橋，則理論上只需要1路PWM信號；對于單極性PWM控制策略的H橋，理論上只需要2路PWM信號；對于采用SVPWM/SPWM控制的三相橋，理論上只需要3路PWM信號。顯然，傳統(tǒng)智能功率模塊在實際應(yīng)用中需要更多的外圍電路設(shè)計，這不僅增加了電路設(shè)計和脈寬調(diào)制策略的復(fù)雜性，而且需要占用更多的微處理器外設(shè)資源。

針對上述所提及的傳統(tǒng)智能功率模塊的不足，本文提供了一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊，可以根據(jù)應(yīng)用需求，對PWM輸入進行靈活配置，能夠減少智能功率模塊外圍電路設(shè)計和調(diào)制策略的復(fù)雜度，節(jié)約設(shè)計和控制成本。

1 設(shè)計思路

本文提供了一種具有多模式配置功能的新型智能功率模塊，通過對模式設(shè)定引腳進行配置，可以獲得滿足多種應(yīng)用需求的工作模式，具體包括互補模式、雙極性模式和通用模式等三種工作模式。其中，互補模式是指每個橋臂的上下兩個功率管采用互補的PWM控制，在該模式下，死區(qū)控制在智能功率模塊內(nèi)部通過硬件電路實現(xiàn)，從而每個橋臂只需要1路PWM信號，即可實現(xiàn)對上下管的控制；雙極性模式是指基于智能功率模塊實現(xiàn)H橋雙極性控制，該模式只需要1路PWM信號輸入，即可控制H橋?qū)崿F(xiàn)正負調(diào)制電壓輸出；通用模式是指所有的功率管可以獨立進行控制，該種模式的應(yīng)用方法和傳統(tǒng)的智能功率模塊是相同的。

如圖2所示，工作模式設(shè)定引腳數(shù)量為兩個，命名為A1和A0，通過配置引腳A1和A0的電平，可以實現(xiàn)智能功率模塊不同工作模式的設(shè)置。定義1表示高電平，0表示低電平，如表1所示，當（A1，A0）=（1，0）時，對應(yīng)互補模式；當（A1，A0）=（0，0）時，對應(yīng)雙極性模式；當（A1，A0）=（0，1）或（1，1）時，對應(yīng)通用模式，默認模式為通用模式。

表1 工作模式設(shè)定方式

2 具體電路設(shè)計

在圖2中，本文提出在智能功率模塊內(nèi)部增加多模式配置電路部分，該部分根據(jù)模式設(shè)定引腳A1和A0電平狀態(tài)對智能功率模塊的6路開關(guān)管控制信號Up、Un、Vp、Vn、Wp、Wn進行處理，然后利用輸出處理后的信號對功率開關(guān)管進行控制，從而實現(xiàn)不同工作模式的設(shè)置。

圖2 具有多模式配置功能的智能功率模塊示意圖

圖3為多模式配置電路具體設(shè)計，其中主要包括數(shù)據(jù)選擇電路1、數(shù)據(jù)選擇電路2和死區(qū)延遲電路三部分，數(shù)據(jù)選擇電路1由6個數(shù)據(jù)選擇模塊組成，數(shù)據(jù)選擇電路2由1個數(shù)據(jù)選擇模塊組成，死區(qū)延遲電路由3個死區(qū)延遲模塊組成，輸入信號Up、Un、Vp、Vn、Wp、Wn進入該部分后，通過信號分路電路按照要求分別連接到數(shù)據(jù)選擇電路1、數(shù)據(jù)選擇電路2和死區(qū)延遲電路，數(shù)據(jù)選擇電路1受控于模式設(shè)定信號A0，數(shù)據(jù)選擇電路2受控于模式設(shè)定信號A1。

圖3 多模式配置電路設(shè)計示意圖

單個數(shù)據(jù)選擇模塊的電路設(shè)計如圖4所示，該模塊包含2路PWM控制信號輸入IN_1和IN_2、1路選擇控制信號SEL和1路信號輸出OUT。PWM控制信號輸入IN_1與經(jīng)過非門的選擇控制信號SEL連接在上面的與門上，PWM控制信號輸入IN_2與選擇控制信號SEL共同連接到下方的與門上，兩個與門的輸出共同連接到一個或門上。SEL為低電平時，下方的與門輸出一直為低電平，IN_2被禁止，IN_1可以通過與門和或門實現(xiàn)信號輸出；SEL為高電平時，上方的與門輸出一直為低電平，IN_1被禁止，IN_2可以通過與門和或門實現(xiàn)信號輸出；最終由數(shù)據(jù)選擇控制信號SEL實現(xiàn)對IN_1和IN_2的選擇。

圖4 單個數(shù)據(jù)選擇模塊電路設(shè)計示意圖

單個死區(qū)延遲模塊的電路設(shè)計如圖5所示，其功能主要是實現(xiàn)對IN引腳輸入的單路PWM信號進行上下橋臂開關(guān)管控制信號（OUT_P和OUT_N）分路，并建立死區(qū)延遲時間。對于OUT_P，與門的輸入端1直接輸入PWM信號，與門的輸入端2與經(jīng)過阻容網(wǎng)絡(luò)的PWM信號進行連接；對于OUT_N，先對IN引腳輸入的PWM信號進行取反，然后進行OUT_P同樣的處理。

圖5 單個死區(qū)延遲模塊電路設(shè)計示意圖

結(jié)合圖5，可以分析出如圖6所示的PWM信號輸入和輸出示意圖，在IN引腳PWM信號上升沿時刻，信號進入上方與門的阻容網(wǎng)絡(luò)后，對電容進行充電直至電壓達到與門的高電平識別電壓，使OUT_P輸出為高，而此時下方與門的輸出會直接跟隨PWM信號變?yōu)榈碗娖剑瑢崿F(xiàn)對上橋臂PWM信號上升沿的延遲，阻容充電時間tP為上管開通死區(qū)延遲時間；在IN引腳PWM信號下降沿時刻，OUT_P直接跟隨IN引腳的PWM信號輸出低電平，此時，下方與門經(jīng)歷IN引腳PWM上升沿時刻上方與門同樣的過程，從而建立下管開通死區(qū)延遲時間tN，從而實現(xiàn)死區(qū)延遲模塊的功能。

圖6 死區(qū)延遲模塊PWM信號輸入和輸出示意圖

數(shù)據(jù)選擇模塊和死區(qū)延遲模塊分別使數(shù)據(jù)選擇電路1、2和死區(qū)延遲電路得以實現(xiàn)，接下來對多模式配置電路實現(xiàn)過程進行分析。當控制引腳A0為高電平時，數(shù)據(jù)選擇電路1使控制信號Up、Un、Vp、Vn、Wp、Wn通過，從而實現(xiàn)通用模式的配置。當控制引腳A0為低電平時，數(shù)據(jù)選擇電路1使控制信號Upp、Upn、Vpp、Vpn、Wpsp、Wpsn通過，此時智能功率模塊為非通用模式狀態(tài)，具體需要根據(jù)引腳A1進行配置，當A1引腳為高電平時，Wps=Wp，死區(qū)延遲電路對Up、Vp、Wps三路信號進行延遲、取反，分別生成Upp和Upn、Vpp和Vpn、Wpsp和Wpsn的互補信號，此時為互補模式；當引腳A1為低電平時，Wps為Vp的取反信號，此時通過控制信號Vp，即可實現(xiàn)對由V、W橋臂所組成H橋的雙極性PWM控制，故此時為雙極性模式。

3 結(jié)語

本文提出了一種新型的具有多模式配置功能的智能功率模塊設(shè)計方案，可以根據(jù)實際設(shè)計需求靈活地配置工作模式，對于采用雙極性PWM控制策略的H橋，只需要1路PWM信號；對于采用單極性PWM控制策略的H橋，只需要2路PWM信號；對于采用SVPWM/SPWM控制的三相橋，只需要3路PWM信號，降低了電路設(shè)計和調(diào)制策略的復(fù)雜性，節(jié)省了微處理器的外設(shè)資源。與此同時，本設(shè)計還保留了傳統(tǒng)智能功率模塊的工作模式，提高了應(yīng)用的兼容性。