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IPM自举电路设计与快恢复二极管选型

作者:海飞乐技术 时间:2018-05-23 17:00

    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im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,当下臂关断后上臂并未立即导通im电子竞技投注,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im电子竞技投注im电子竞技投注。如果以上两个问题未能处理好im电子竞技投注,将导致即使PWM波形正常im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,IPM也不能工作,因为自举电压不足以驱动上臂导通im电子竞技投注。
 
  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im电子竞技投注,并在项目中取得良好的充电效果。
  1 IPM膇m电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注?樽跃俚缏坊就仄私峁购驮?/strong>
  电压自举,就是利用电路自身产生比输入电压更高的电压im电子竞技投注。
  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im电子竞技投注,从而实现电压的提升im电子竞技投注。电压自举电路利用电荷转移的方式进行工作im电子竞技投注im电子竞技投注,通过存储电容im电子竞技投注,把电荷从输入转移到输出,提供负载所需要的电流im电子竞技投注im电子竞技投注。图1给出了双倍压电压自举电路的基本原理。
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图1 IPM膇m电子竞技投注im电子竞技投注?樽跃俚缏?/span>
  假设所有开关均为理想开关im电子竞技投注,电容为理想电容im电子竞技投注。当开关S1和S3闭合时,电源VCC给电容C充电使其电压达到VCCim电子竞技投注im电子竞技投注。然后开关S1和S3断开im电子竞技投注,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×Cim电子竞技投注,即V0=2VCCim电子竞技投注im电子竞技投注。
  在没有直流负载的情况下im电子竞技投注im电子竞技投注,通过图1所示的电路,在理想情况下im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,输出可达到输入电压的两倍im电子竞技投注。
 
  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]im电子竞技投注im电子竞技投注。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im电子竞技投注im电子竞技投注,另一端接到同相位的输出电路部分,借输入im电子竞技投注、输出的同相变化im电子竞技投注im电子竞技投注,把自己抬举起来im电子竞技投注im电子竞技投注,即自举元件引入的是正极性的反馈。
图2IPM自举电路原理图
图2 IPM自举电路原理图
  对原理图中第一路自举电路进行分析[3-4]im电子竞技投注im电子竞技投注。IPM??樽跃俚缏方鲇勺跃俚缱鑂62im电子竞技投注、自举二极管D9和自举电容E1组成im电子竞技投注,因此简单可靠im电子竞技投注im电子竞技投注。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im电子竞技投注im电子竞技投注,控制电源VCC会通过R62和D9给自举电容E1充电im电子竞技投注。当上桥臂导通im电子竞技投注,VS上升到直流母线电压后,自举二极管D9反向截止im电子竞技投注im电子竞技投注,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im电子竞技投注,给上桥臂功率器件的门极提供驱动电压im电子竞技投注im电子竞技投注。当VS再次被拉低时im电子竞技投注,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im电子竞技投注。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im电子竞技投注。如图2所示im电子竞技投注,自举电路给E1充电im电子竞技投注,E1的电压基于上桥臂输出晶体管源极电压上下浮动im电子竞技投注。
  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im电子竞技投注。
  由上述分析可知im电子竞技投注,要保证E1的跌落电压能够得到及时、完全的补充im电子竞技投注,自举电路对下桥臂最小导通时间有一定的要求im电子竞技投注im电子竞技投注。但是若能正确选择各元器件参数im电子竞技投注,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im电子竞技投注。实际应用中可以应用以下简化公式来初步计算E1:
自举电容所能得到的最低充电电压计算式
 
  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im电子竞技投注im电子竞技投注,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im电子竞技投注,VBSUV为上桥臂控制电压的欠压?;ぶ?im电子竞技投注,Vsat为下桥臂功率器件的饱和压降im电子竞技投注,THON为上桥臂的最大导通时间,ILeak为IPM?im电子竞技投注im电子竞技投注?楣娓袷橹兴峁┑纳锨疟酃β势骷璧淖畲蠖疃ǖ缌髦?im电子竞技投注。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im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,实际使用的E1应当选择为计算值的2~3倍im电子竞技投注。本项目选择的是47 μF/25 V的电解电容im电子竞技投注。
 
  2.2 自举电阻R62的选择
  自举电阻R62的作用是限制dVBS/dtim电子竞技投注im电子竞技投注。为了保证自举电容能够在下桥臂最小导通时间充电ΔVBSim电子竞技投注,所以:
自举电阻R62相关选型计算
  式中im电子竞技投注,TLON为下桥臂的最小导通时间。本项目中自举电阻R62取22 Ωim电子竞技投注im电子竞技投注。
 
  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im电子竞技投注,才能眎m电子竞技投注;C器件不受损坏, 所以选择D9时应当重点考虑二极管耐压im电子竞技投注、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im电子竞技投注,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。
        IPM自举电路设计与快恢复二极管选型
 
 
 
 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im电子竞技投注,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im电子竞技投注im电子竞技投注,另一方面增大了初始充电阶段上下桥臂直通的风险im电子竞技投注im电子竞技投注。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im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注。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im电子竞技投注im电子竞技投注。具体的做法是:在每次更新PWM占空比时im电子竞技投注,先判断占空比的值im电子竞技投注im电子竞技投注,若小于0.056im电子竞技投注im电子竞技投注,则认为电机的给定速度为零im电子竞技投注im电子竞技投注,并以此作为进入充电程序的判断条件。如下面的程序所示:
初始充电分析及实现程序
  由上述程序可知im电子竞技投注im电子竞技投注,通过程序预定的方式给定直流无刷电机的换相顺序im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,使得 Uim电子竞技投注、Vim电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注、W 三相进行错位充电im电子竞技投注im电子竞技投注,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im电子竞技投注,所以不存在上下臂直通的危险im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,且只要占空比小于0.056时就对自举电容充电im电子竞技投注im电子竞技投注,能保证自举电容能充满im电子竞技投注。通过将初始充电控制语句放在PWM更新函数里im电子竞技投注im电子竞技投注,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im电子竞技投注。
 
  3.2 自举电压波形及分析
  图3是实测的自举电压波形im电子竞技投注im电子竞技投注。由图3分析可知im电子竞技投注,初始充电近似阶跃函数im电子竞技投注im电子竞技投注。在0.1 s时im电子竞技投注,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im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,电机开始运行im电子竞技投注,自举电容放电。由图3还可知im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,在运行阶段im电子竞技投注,自举电容电压基本稳定在14 Vim电子竞技投注,几乎在电机停止的瞬间im电子竞技投注im电子竞技投注,自举电容电压迅速充电到15 V,然后开始慢慢放电。
    ipm自举电路波形
图3 ipm自举电路波形
  由上述分析可知im电子竞技投注im电子竞技投注,本项目采用的自举电容初始充电的方法简单实用im电子竞技投注im电子竞技投注,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im电子竞技投注im电子竞技投注,保证了充电的实时性im电子竞技投注,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im电子竞技投注。总之im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,要在理论指导的基础上im电子竞技投注im电子竞技投注,使得控制算法和硬件参数紧密相关im电子竞技投注im电子竞技投注,并在实际系统反复调试并最终确定参数im电子竞技投注im电子竞技投注im电子竞技投注,以便最大程度地保证电路的可靠性。  




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