IPM自举电路设计过程中的关键问题研究

　　通常IPM模块应有四路独立电源供电，下桥臂三个IGBT控制电路共用一个独立电源，上桥臂三个IGBT控制电路用三个独立电源。对于小功率IPM，可以由自举电路将其他三路电压进行自举而得到三个独立电源［1］。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，使得功率模块应用单一电源供电成为可能。

　　为了简化设计，驱动电路已普遍采用单一控制电源方案。使用单一电源，必须满足两个要求：一是保证控制电源能够为上桥臂功率器件提供正确的门极偏置电压；二是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。通常使用自举电路法来实现IPM模块的单一电源供电。

　　实现自举有两个关键问题：一是自举电容的初始充电；二是自举电容充完电后，当下臂关断后上臂并未立即导通，而在从下臂关断到上臂导通期间，电容会放电，因此必须保证少量放电后电容电压仍有驱动能力。如果以上两个问题未能处理好，将导致即使PWM波形正常，IPM也不能工作，因为自举电压不足以驱动上臂导通。

　　本文介绍了IPM自举电路的基本拓扑结构和原理，并重点研究了自举电容初始充电问题，通过在控制程序中执行简单的初始充电语句，很好地解决了上述关键问题，并在项目中取得良好的充电效果。

　　1 IPM模块自举电路基本拓扑结构和原理

　　电压自举，就是利用电路自身产生比输入电压更高的电压。

　　基于电容储能的电压自举电路通常是利用电容对电荷的存储作用来实现电荷的转移，从而实现电压的提升。电压自举电路利用电荷转移的方式进行工作，通过存储电容，把电荷从输入转移到输出，提供负载所需要的电流。图1给出了双倍压电压自举电路的基本原理。

　　假设所有开关均为理想开关，电容为理想电容。当开关S1和S3闭合时，电源VCC给电容C充电使其电压达到VCC。然后开关S1和S3断开，S2闭合，直接接到电容C的低压端，此时电容C上仍然保持有前一个相位存储的电荷VCC×C。由于在S2闭合时，电容C上的电荷量不能突变，因此有：（V0-VCC）×C=VCC×C，即V0=2VCC。

　　在没有直流负载的情况下，通过图1所示的电路，在理想情况下，输出可达到输入电压的两倍。

　　2 自举电路设计中的关键问题研究

　　本项目的IPM型号选用IGCM20F60GA［2］。图2是IPM自举电路原理图。由图2可知，自举元件一端接电路的输入部分，另一端接到同相位的输出电路部分，借输入、输出的同相变化，把自己抬举起来，即自举元件引入的是正极性的反馈。

　　对原理图中第一路自举电路进行分析［3-4］。IPM模块自举电路仅由自举电阻R62、自举二极管D9和自举电容E1组成，因此简单可靠。其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R62和D9给自举电容E1充电。当上桥臂导通，VS上升到直流母线电压后，自举二极管D9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E1放电，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，E1将再次通过VCC充电以补充上桥臂导通期间E1上损失的电压。这种自举供电方式就是利用VS端的电平在高低电平之间不停地摆动来实现的。如图2所示，自举电路给E1充电，E1的电压基于上桥臂输出晶体管源极电压上下浮动。

　　由于运行过程中反复地对自举电容进行充放电，因此必须选择适当的参数，保证自举电容上的电压在电机运行时保持高于欠压锁定电平。

　　由上述分析可知，要保证E1的跌落电压能够得到及时、完全的补充，自举电路对下桥臂最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，自举电路对下桥臂最小导通时间的限制将会大大降低。

　　2.1 自举电容E1的选择

　　自举电容E1需要根据自举电容所能得到的最低充电电压来选择。实际应用中可以应用以下简化公式来初步计算E1：

　　式中，ΔVBS为自举电路在上桥臂功率器件导通时所允许的最大电压降，VF为自举二极管正向压降，VBSmin为所要求的最低上桥臂驱动电压，VBSUV为上桥臂控制电压的欠压保护值，Vsat为下桥臂功率器件的饱和压降，THON为上桥臂的最大导通时间，ILeak为IPM模块规格书中所提供的上桥臂功率器件驱动所需的最大额定电流值。这样只要选定ΔVBS即可快速计算出E1。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E1应当选择为计算值的2～3倍。本项目选择的是47 μF/25 V的电解电容。

　　2.2 自举电阻R62的选择

　　自举电阻R62的作用是限制dVBS/dt。为了保证自举电容能够在下桥臂最小导通时间充电ΔVBS，所以：

　　式中，TLON为下桥臂的最小导通时间。本项目中自举电阻R62取22 Ω。

　　2.3 自举二极管D9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，必须阻断直流干线上的高压，才能保护IC器件不受损坏， 所以选择D9时应当重点考虑二极管耐压、反向截止时间和正向导通电压降几个参数。二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选择耐高压的反向漏电流小的超快恢复二极管。本项目选用的自举二极管型号为BYV36C。

　　3 自举电容初始充电过程及控制方法

　　3.1 初始充电分析及实现程序

　　在自举电容的初始充电过程中，较大的初始充电电流有可能给系统可靠性带来不利影响。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直通的风险。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。

　　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。

　　本项目采用瑞萨SH7125作为控制芯片，软件上采用了一种简单实用的方法实现了自举电容的初始充电。具体的做法是：在每次更新PWM占空比时，先判断占空比的值，若小于0.056，则认为电机的给定速度为零，并以此作为进入充电程序的判断条件。如下面的程序所示：

　　if（revison_value < 0.056）

　　{

　　MTU2.TOER.BYTE = 0x38; /*禁止上桥臂输出*/

　　hall.HallPointer = （hall.HallPointer + 1）%6;

　　MTU23.TGRD = 1900;/*设定占空比*/

　　MTU24.TGRC = 1900;/*设定占空比*/

　　MTU24.TGRD = 1900;/*设定占空比*/

　　pwm_calc（）;/*占空比更新函数*/

　　}

　　由上述程序可知，通过程序预定的方式给定直流无刷电机的换相顺序，使得 U、V、W 三相进行错位充电，即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。

　　该控制程序的优点在于上臂被禁止输出，所以不存在上下臂直通的危险，且只要占空比小于0.056时就对自举电容充电，能保证自举电容能充满。通过将初始充电控制语句放在PWM更新函数里，保证了初始充电的实时性，很好地解决了实现自举的关键问题。

　　3.2 自举电压波形及分析

　　图3是实测的自举电压波形。由图3分析可知，初始充电近似阶跃函数。在0.1 s时，就能充电到14 V，即上述初始充电程序能快速完成初始充电；在0.2 s时，电机开始运行，自举电容放电。由图3还可知，在运行阶段，自举电容电压基本稳定在14 V，几乎在电机停止的瞬间，自举电容电压迅速充电到15 V，然后开始慢慢放电。

　　由上述分析可知，本项目采用的自举电容初始充电的方法简单实用，在实际项目应用中取得良好的效果。

　　本文分析了自举电路的基本原理，并在此基础上，通过实际项目，介绍了自举电路各元器件的选型，通过将初始充电控制程序放在PWM更新函数中，保证了充电的实时性，在应用中取得了良好的IPM驱动效果，为自举电容的初始充电提供了一个简单实用可靠的方案。总之，要在理论指导的基础上，使得控制算法和硬件参数紧密相关，并在实际系统反复调试并最终确定参数，以便最大程度地保证电路的可靠性。

　　参考文献

　　［1］ 李正中，孙德刚。高压浮动MOSFET栅极驱动技术［J］。通信电源技术，2003（3）：37-40.

　　［2］ ÖZKILIC M C.HONSBERG M，RADKE T.A novel intelligent power module（IPM） in a compact transfer mold package with new high voltage integrated circuit（HVIC） and integrated bootstrap diodes［C］.IEEE 14th International Power Electronics and Motion Control Conference，EPE-PEMC 2010.

　　［3］ PARL S，JAHNS T.M.A self boost charge pump topology for a gate drive high-side power supply［J］.IEEE Trans. on Power Electronics，2005，20（2）：300-307.

　　［4］ ALI R，DAUT I，TAIB S，et al.Design of high-Side MOSFET driver using discrete components for 24 Voperation［J］.IEEE The 4th International Power Engineering and Optimization Conference.（PEOCO2010），Shah Alam，Selangor，MALAYSIA： 23-24 2010.