家电智能功率模块单驱动电源方案

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  由于双列直插式(DIP)智能功率模块(IPM)内置高压集成电路(HVIC),使采用单一控制电源供电成为可能。对控制电源的性能指标要求为:+15V(+-10%),dv/dt≤(1V/us,V纹波>≤2Vp-p。HVIC器件通常会忽略掉脉宽<50ns、脉冲幅值<5V的高频噪声。这里值得注意的是,控制电源VD应先于主电源(P-N间电源)开启,并晚于主电源关断。
充电初始过程
  为了使IPM正常起动,需要提供初始自举充电信号。如图1所示,通过打开N侧的IGBT,自举电容被充电,控制信号应具有足够的脉宽使自举电容能充满电。为了实现此初始化功能,在软件上应进行相应的处理,即增加初始化程序段。
  参考参数:自举电容为100uF、自举电阻为50(情况下,初始充电时间约5ms。
  自举电容、电阻和二极管的选择
1. 自举电容C1的选择:

  其电容值可通过下式来选择:

  C1=IBS(T1/(VHSPACE=12

  图1:充电初始化。

  其中,T1为IGBT1的最大开通脉宽时间,IBS为IC的驱动电流(取决于温度和频率特性),(V为允许的放电电压。通常应对计算出的电容值增加2~3倍裕量。注意:由于交流电机和直流无刷电机的控制方式不同,T1具有较大的差异,因而C1的选取值差别较大。
2. 自举电阻R2的选择

  一般来说,R2电阻值的选择应使时间常数C1×R2能够满足使放电电压((V),能在IGBT2的最大导通脉宽(T2)内充电到C1。同时还需注意充电瞬间的最大充电电流,控制电源应能提供此瞬态电流。然而,如果仅仅IGBT具有“开-关-开”控制模式,时间常数的设置应使在导通阶段消耗的电荷能够在关断时间内被充电。
3. 二极管D1的选择
  二极管D1应采用高压快恢复二极管(600V或更高),最大承受电流应大于充电瞬间的最大充电电流。
  DIP IPM的短路保护电路
 在PCB板布局布线时,应尽量满足如下要求:

  旁路电阻尽量靠近DIP IPM的引脚N放置;RC滤波器尽量靠近DIP IPM的CIN引脚放置;A、B和C之间的走线应尽可能短。
  RC滤波器时间常数设定在1~2(s之间,此RC滤波电路可防止旁路电阻上噪声引起的短路保护误动作,它还应允许FWDi反向恢复电流流通。为了确定时间常数,需要考虑IGBT的性能,图3举例说明了带最小导通阈值电压的IGBT的情况。例如,当驱动电压为推荐范围内的最大值16.5V时,在上述条件下能通过额定集电极电流的8.5倍(VD=16.5V时的最大电流),此时,如果IGBT的导通时间(脉宽)小于4us,表明IGBT能够安全地关断。对于DIP IPM,考虑设置裕量,RC时间常数的推荐值为2us或更小。
  电流检测旁路电阻值的选择HSPACE=12

  图2:DIP IPM的短路保护电路。

  采用下式来计算电流检测电阻的阻值:R=VSC(ref)/ISC。其中,VSC(ref)为控制IC的SC参考电压(动作阈值),ISC为需要中断的电流值。
  控制IC的SC参考电压(动作阈值)随寄生电压和温度而变化,应考虑其波动范围,需要基于下述参数来设计。考虑到VSC(ref)参数及旁路电阻的精度问题,实际上应考虑下述短路保护动作阈值:

  SCmax.= VSC(ref)max,旁路电阻最小值;

  SCtyp.= VSC(ref)typ,旁路电阻典型值;

  SCmax.= VSC(ref)min,旁路电阻最大值。